TRANET mobil: Datenkommunikation für die Armee

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1 INFORMATIONSTECHNIK UND ARMEE Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich im Wintersemester 2002/2003 Leitung: Untergruppe Führungsunterstützung - Generalstab Divisionär E. Ebert TRANET mobil: Datenkommunikation für die Armee Referent: Christoph Gusset Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als PDF Dokument für aufbereitet.

2 4-1 TRÄNET mobil: Mobile Datenkommunikation für die Armee Christoph Gusset Inhalt 1 Einleitung Problemstellung System-Beschreibung Mobile Datenkommunikation Einsatz-Philosophie von TRÄNET mobil Lösungsaspekte Schlussbetrachtungen Anhänge bis Referenzen Zusammenfassung Auf operativer und taktischer Stufe muss für die Führung in der Armee eine geeignete mobile Datenkommunikation zur Verfügung stehen. Mit der Einführung von TRÄNET mobil wird das heute eingeführte Integrierte Militärische Fernmeldesystem IMFS (Sprachnetz) um ein leistungsfähiges Datennetz erweitert und die Anbindung der mobilen an die ortsfesten Datennetze sichergestellt. TRÄNET mobil stellt den Verbund der Führungsinformations- und Fachsysteme über alle Stufen sicher- die Idee des taktischen Internets. Die militärischen Anforderungen - insbesondere beliebige und rasch ändernde Netzstrukturen sowie die Einbindung von hochmobilen Datenfunknetzen - erfordern spezielle technische Lösungsansätze: Im Unterschied zu zivilen Systemen sind nicht nur die Teilnehmer mobil, sondern auch die Netzknoten. Dies kann durch ahierarchische Adressierungsprinzipien und spezielle Routingverfahren sowie eine dezentrale Systemphilosophie erreicht werden. Die Lösung ist ein selbstlernendes System (Plug & Play) mit einfachen Planungs- und Betriebsabläufen, die dem Milizsystem Rechnung tragen. Aus Benutzersicht ist das System voll kompatibel mit den zivilen Standards. Adresse des Autors: Generalstab UG Führungsunterstützung 3003 Bern Christoph.gusset@gst.admin.ch Informationstechnik und Armee 42. Folge 2002/2003 Copyright 2003 GST/UG FU, Bern. Urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten. HAMFU - Seite 1

3 2-2 1 Einleitung Die Führung in der Armee soll durch ein Datenkommunikationssystem unterstützt werden, das den Verbund der zukünftigen Führungsinformations- und Fachsysteme über alle militärischen Stufen sicherstellt und aus festen und mobilen Elementen (Anlagen, Fahrzeuge) besteht. Das System muss über eine geeignete Datenkommunikation verfügen, die im mobilen Bereich eine einheitliche Telekommunikations-Plattform ( Kommunikations-Sockel") für alle Systeme zur Verfügung stellt. Im vorliegenden Beitrag werden zuerst die Problemstellung und die speziellen Bedürfnisse der mobilen Datenkommunikation im militärischen Bereich dargestellt. Anschliessend wird auf die gewählte Lösung, die zu berücksichtigenden betrieblichen und technischen Aspekte sowie ihre Umsetzung im Detail eingegangen. 2 Problemstellung Das in der Armee eingeführte Integrierte Militärische Fernmelde-System (IMFS) ist ein Kommunikationsnetz für die mobil eingesetzten Truppen. Es wurde in erster Linie für die Sprachkommunikation ausgelegt und basiert auf Richtstrahl-Übertragungsstrecken. Das Transparente Datennetz mobil des Heeres und der Luftwaffe (TRÄNET mobil) soll das IMFS mit einer durchgängigen Datenkommunikation zugunsten der Führungsinformations- und Fachsysteme erweitern und den Anschluss dieser Systeme an IMFS-Standorten, oder davon abgesetzt, ermöglichen. TRÄNET mobil stellt so die hohe Verfügbarkeit von Sprache und Daten bis auf die taktische Stufe sicher und löst zugleich die Anbindung an ortsfeste Netze, etwa an das im Dauerbetrieb stehende TRÄNET permanent. TRÄNET mobil setzt für den Verbund aller Führungsinformations- und Fachsysteme die organisatorischen, betrieblichen und technischen Standards. Des Weiteren legt es die Prinzipien für die mobile Datenkommunikation in der Armee fest. TRÄNET mobil wird in die bereits bestehenden IMFS-Komponenten integriert werden, damit bestehende und künftige Übertragungssysteme optimal genutzt werden können. Basis dafür sind die für das IMFS geschaffenen organisatorischen Strukturen. Das Integrierte Artillerie Führungs- und Feuerleit-System (INTAFF) ist das erste Nutzer-System von TRÄNET mobil. INTAFF ist mehrheitlich in Fahrzeugen eingebaut (Anhang 3) und basiert auf - Sensoren, z.b. Schiess-Kommandanten-Fahrzeug (SKdt Fz), - Kommandoposten (KP), z.b. Feuer-Führungs-Zentrum (FFZ) mit Shelter und Rad-Panzer, - Aktoren, z.b. Panzer-Haubitzen. Ein Schiesskommandant (SKdt) erfasst ein Ziel und übermittelt Zieldaten und Feuerauftrag mit dem in seinem Fahrzeug eingebauten INTAFF-System an seine vorgesetzte Stelle (Feuer- Führungs-Zentrum FFZ). Von dort wird der Feuerauftrag mit den Zieldaten an die entsprechende Panzer-Haubitz-Abteilung zur Zielbekämpfung weitergeleitet. Zur Übertragung zwischen den Fahrzeugen während der Fahrt kommen VHF-Funkstrecken zum Einsatz. Zur Überbrückung von grossen Distanzen haben viele INTAFF-Fahrzeuge die Möglichkeit, sich für die Datenübertragung mittels Lichtwellenleiter (Fiber-Optik-Kabel) an IMFS- Standorten ans TRÄNET mobil anzuschliessen. HAMFU - Seite 2

4 1-3 Die Einführung von mobiler Datenkommunikation durch INTAFF und TRÄNET mobil führt im Vergleich mit der heutigen Sprechfunk-Befehlsgebung zu einem grossen Zeitgewinn in den Befehls-Abläufen der Artillerie. Zieldaten + Feuerauftrag Zieldaten + Feuerauftrag Zieldaten + Feuerauftrag A k t o r Pz Hb Abt INTAFF Lichtwellenlei ter KP/Flst Pz Hb Bttr INTAFF Funk Pz Hb Richtstrahl y/ v IMFS mit TRÄNET mobil Tran/Rel INTAFF Zieldaten + Feuerauftra SKdt INTAFF Sensor Abbildung 1: Informationsfluss bei der Artillerie (vereinfachte Darstellung). Es handelt sich in diesem Netzverbund um mobile Netze, basierend auf - Funkstrecken (VHF), - Richtstrahlstrecken und - Lichtwellenleiter-Kabel. Bei der mobilen Datenkommunikation in der zivilen Welt (z.b. Natel, GSM mit HSCD oder GPRS) sind die Endgeräte mobil, die verwendete Netzinfrastruktur basiert aber grösstenteils auf ortsfesten Elementen (einbetonierte Masten, Festnetze, Internet-Service-Provider, Internet). Prinzipielle Unterschiede zwischen zivilen und militärischen Systemen: Zivile Systeme ortsfeste Netze / mobile T eilnehmer zentrale Administration kostenoptimiert relativ langsame Auf- & Umbauzeiten eher seltene System- / Netz-Umbauten (sonst schlechter System-Design...) möglichst wenig Betreiber-Personal (Wirtschaftlichkeit) geringe Netzdegradationsanfälligkeit Militärische Systeme mobile / teilmobile Netze und T eilnehmer dezentrale, lokale Administration Verfügbarbarkeit ist optimiert (Redundanz für z.b. Spitzenlast, Netz-Vermaschung) sehr schnelle Auf- & Umbauzeiten häufige System- / Netzumbauten (Mobilität) viel Betreiber-Personal (mehrere pro Standort, Schichtbetrieb) hohe Netzdegradationsanfälligkeit Tabelle 1: Unterschiede ziviler und militärischer Systeme. HAMFU - Seite 3

5 2-4 Aus dem oben Erwähnten lassen sich folgende Anforderungen an ein mobiles, militärisches Datenkommunikations-System ableiten: System-Anforderungen - hohe Verfügbarkeit - einfache Handhabung ( Plug & Play"-Prinzip) - einfache Planung und Befehlsgebung, da Miliztruppe. Betriebliche Anforderungen - Aufwuchs-Fähigkeit: dezentraler Systemaufbau mit lokalem Inselbetrieb den Zusammenschluss zu Gesamtnetzen jederzeit ermöglichen - Redundanz durch beliebige Vermaschung der Netzknoten - bei Netzdegradation autonomer Betrieb der Teilnetze (dezentrales Netzmanagement-System) - betriebliche Abläufe soweit als möglich automatisieren (zugunsten der Miliztauglichkeit, kurzer Ausbildungsdauer und geringer Fehleranfälligkeit) - effiziente Bedienung durch möglichst wenig Personal. Technische Anforderungen - standartisiertes TCP/IP-Datennetz (Internet-Technologie) nach zivilen Normen - modular aufbaubares System - skalierbare Systemarchitektur (Menge, Struktur) im Hinblick auf Nachbeschaffungen - Interoperabilität mit anderen Nationen ermöglichen. 3 System-Beschreibung Mobile Datenkommunikation In jedem INTAFF-Fahrzeug ist ein LAN mit INTAFF-Stationen (Laptop, Server, Drucker) und einem Telecomunication-Controller (TCC) als Übermittlungsgehirn" des Fahrzeuges eingebaut. An diesem TCC sind VHF-Funkgeräte (SE-235) sowie eine 2-Draht-Ausrüstung (LNU) für F-2E- Verbindungen angeschlossen. Bei einigen Fahrzeugen ist zudem am LAN ein INTAFF-Router vorhanden, der den Anschluss des INTAFF-Fahrzeuges mittels Lichtwellenleiter-WAN an das TRÄNET mobil ermöglicht. INT AFF Fahrzeug VHF-Funk Draht, F-2E TRÄNET mobil nicht in jedem INTAFF- Fz vorhanden L i c h t w e l l e n - l e i t e r - W A N Abbildung 2: Übermittlungsmittel von INTAFF. HAMFU - Seite 4

6 1-5 Zur Datenübermittlung von diesem Fahrzeug zu einer beliebigen Empfängerstation im Netzverbund werden die Datenpakete via LAN zum TCC geleitet. Falls nur VHF-Funk verfügbar ist (z.b. Fahrzeug-Verschiebung), leitet der TCC die Datenpakete weiter zum entsprechenden Funkgerät. Ist hingegen nebst dem im Verhältnis sehr langsamen VHF-Funk (einige kbit/s) auch die Datenautobahn" TRÄNET mobil mittels Lichtwellenleiter (2 MBit/s) am INTAFF-Router angeschlossen, so sendet der TCC die Datenpakete automatisch via LAN zum INTAFF-Router auf diesen schnellen Übermittlungspfad. Dabei sorgt der Telecomunication-Controller TCC für die Wahl des besten Übermittlungsmittels. Falls zwischen zwei Fahrzeugen Daten über VHF-Funk ausgetauscht werden sollen, die Distanz für eine Funkstrecke aber zu gross ist, so kann das System automatisch ein allenfalls dazwischen stehendes Fahrzeug als Transit-Relais (Funk-Relais-Station) nutzen. Kleine Distanzen (pro VHF-Funkstrecke ca. 10 bis 20 km) werden so automatisch überbrückt, wobei maximal zwei Transit-Relais dazwischen liegen können. VHF-Funk ca km VHF-Funk ca km Abbildung 3: INTAFF-Kommunikation bei kleinen Distanzen. Grosse Distanzen zwischen zwei INTAFF-Fahrzeugen können mit TRÄNET mobil überbrückt werden, indem die INTAFF-Fahrzeuge mittels Lichtwellenleiter an das TRÄNET mobil angeschlossen werden. Auch hier wird aus den zur Verfügung stehenden Übetragungsmitteln VHF-Funk, Richtstrahlstrecken und Lichtwellenleiter der beste Übermittlungs-Weg automatisch ausgesucht. Abbildung 4: INTAFF-Kommunikation bei grossen Distanzen. Im IMFS kommen an den verschiedenen Einsatzstandorten Knoten-Vermittler, Kommandoposten-Vermittler, Klein-Vermittler und in Fahrzeuge eingebaute Klein-Vermittler mobil zum Einsatz. Diese sind prinzipiell identisch und variieren nur in der Anzahl Richtstrahl-Bündel sowie in der Anzahl Sprachendgeräte (siehe Anhang 4). An jedem Vermittler können analoge und digitale Telefone sowie Faxgeräte angeschlossen werden. Zur Konfiguration und Überwachung ist zudem ein Netzwerk-Management-Terminal (Bedienplatz-Notebook) vorhanden. Als Übertragungsstrecken zwischen den Vermittlern werden Richtstrahl-Systeme (R-905, R-916) verwendet. HAMFU - Seite 5

7 1-6 An jedem IMFS-Vermittler-Standort wird grundsätzlich ein TRÄNET mobil - Netzknoten eingesetzt. IMFS und TRÄNET mobil teilen sich die Übertragungsstrecken der Übertragungssysteme. Folglich ist die Netzstruktur von Sprach- und Datennetz prinzipiell identisch. Die geforderte hohe Verfügbarkeit von taktischen Netzen ergibt sich durch die im IMFS realisierte Vermaschung der Netzknoten. Mit der Einführung von TRÄNET mobil werden neu in jedem IMFS-Vermittler 1 bis 2 integrierte SMERF-Routerkarten (Swiss Module Embedded Router Function) eingebaut. Abbildung 5: SMERF-Karte. Dies ermöglicht künftig an jedem Vermittler den zusätzlichen Anschluss {vgl. Abb. 6): eines mittels Ethernet-LAN (100 MBit/s). Dazu enthält das Anschlussfeld einen integrierten 100 MBit/s-LAN-Switch mit elektrischen und optischen Anschlüssen (RJ-45 und 100BaseFX); mehrerer mittels 2 Lichtwellenleiter-WAN-Anschlüssen (V.35, 2 MBit/s, LWL-1). KP-Bereich Nutzer-Ebene Informationssystem Modul ISM Netzwerk- Ebene Jeder IMFS-Vermittler hat künftig diese Anschlussmöglichkeiten Übertragungs- Ebene 1 x LAN-Schnittstelle Ethernet. 100 MBit/s 2 x WAN-Schnittstelle V.35, LWL-1, 2 MBit/s Abbildung 6: Prinzipdarstellung TRÄNET mobil. Die IMFS-Netzwerk-Management-Applikation (NMA) auf dem Bedienplatz-Notebook wird für die Konfiguration und Überwachung der neuen SMERF-Karte sowie zur Überwachung der am TRÄNET mobil angeschlossenen Nutzersysteme um miliztaugliche IP-Netzmanagement- Funktionalitäten erweitert. HAMFU - Seite 6

8 1-7 4 Einsatz-Philosophie von TRÄNET mobil Im Einsatz werden folgende Netzbereiche, die miteinander beliebig verbunden werden können, unterschieden: Heer, Luftwaffe, Festnetz und Ausland (prinzipiell möglich). TRÄNET permanent (Daten) AF-Netz (Sprache) " Netzbereich Festnetz Dauerbetrieb Satelliten- Kommunikation prinzipiell möglich Netzübergänge nur ab Festnetz ins TRÄNET permanent! (Dauerbetrieb) Verbindungen r-4 zu Partner- Nation Netzbereich v Ausland, Netzbereich Heer Netzbereich v Luftwaffe^ Abbildung 7 : Netzbereiche IMFS mit TRÄNET mobil. IMFS mit TRÄNET mobil wird bei Einsätzen des Heeres und der Luftwaffe durch die Übermittlungs-Formationen dieser Verbände aufgebaut, betrieben und instandgehalten. Eine Ausnahme bildet der auf dem Breitband-Übertragungssystem BBUS-Richtstrahl basierende Festnetzbereich, der fest eingebaut ist und im Dauerbetrieb steht. Netzübergänge sind aus technischen Gründen nur ab diesem Festnetz ins TRÄNET permanent (Dauerbetrieb) vorhanden. Das Einsatzprinzip des im taktischen Umfeld stehenden IMFS bleibt durch die Erweiterung mit TRÄNET mobil unverändert. Das Netz basiert auf dem Aufwuchs-Prinzip. Zuerst werden alle Netzkomponenten (Netzknoten, Übertragungsstrecken, Informationssystem- und Fachsystem-Module) lokal in Betrieb genommen. Es werden dafür - Richtstrahl-Knoten auf erhöhten Geländepunkten aufgebaut und mittels Richtstrahl- Verbindungen untereinander vermascht; - gleichzeitig Kommandoposten aufgebaut und in Betrieb genommen sowie Informationssystem-Module (ISM) für die Führungsinformations-Systeme bereits lokal betrieben. Dabei muss die Adressierung bei lokalem Betrieb bereits festgelegt sein, obwohl das Netz noch nicht zusammengewachsen ist! HAMFU - Seite 7

9 1-8 Richtstrahl- Knoten Fachsystem- Modul (FSM) Funk- Teilnehmer Informationssystem-Modul (ISM) jy Kommando- Posten Radio Access Point (RAP) Abbildung 8: Netz-Aufwuchs. Die Netzkomponenten wachsen allmählich zu einem Gesamtnetz zusammen: - Wichtige Standorte werden mit doppelter Vermaschung erschlossen. - Radio Access Points (RAP) für die Funkintegration von Funkteilnehmern werden ins Netz eingebunden. - Fachsystem-Module (FSM) - z.b. INTAFF-Fahrzeuge mit Router - können sich nun mittels Lichtwellenleiter-Kabel (WAN) an jedem beliebigen IMFS-Vermittler ohne Umkonfiguration anschliessen. Das Netz verfügt über eine automatische Wegsuche, so dass bei Ausfällen von Netzknoten auf Ersatzwege ausgewichen wird. Beim Auseinanderbrechen eines Netzes in mehrere Inselnetze können diese durch Aufstarten zusätzlicher System-Management-Tools, die an jedem Netzknoten verfügbar sind, autonom weiter betrieben werden. Ein lokaler Inselbetrieb ist deshalb jederzeit möglich. Fachsystem- Modul (FSM) Richtsti'ähl- Funk- Teilnehmer Kommando- Posten Radio Access Point (RAP) HAMFU - Seite 8

10 1-9 5 Lösungsaspekte Um ein mobiles Datenkommunikations-System für die Armee realisieren zu können, mussten in den Bereichen Netzfunktionalität, Adressierung, Routing, System-Management und Netzübergänge neue Lösungsansätze gesucht werden, denn auf dem Markt wird kein vergleichbares System angeboten. Auf zivile Anwendungen konnte auch nicht zurückgegriffen werden, da diese die militärischen Anforderungen nicht erfüllen. Eine weitere Hürde war die optimale Integration der neuen Hardware-Komponenten in das bestehende IMFS. Auf dem Richtstrahlbündel werden die IMFS-Sprachbits und die TRÄNET mobil-datenbits in Zeitmultiplexierung übertragen. Das Übertragungsignal der Richtstrahl-Station wird nach dem Anschlusskasten "ASK Bündel" (Grobschutz / Blitzschutz) und dem Anschlussfeld "ASF Bündel" (Feinschutz / NEMP-Schutz) im Bündelschlüsselungsgerät "BSG 93" entschlüsselt. Je nach Richtstrahl-System wird es dann als 2 MBit/s- oder 8 MBit/s-Klarsignal in den Vermittler eingespiesen. Auf dem Bündelkarten-Paar erfolgt die Demultiplexierung von Sprache und Daten. Das Sprachsignal von 1 MBit/s wird anschliessend in die Sprach-Vermittlungs-Karten geleitet. Der übrige Datenstrom von 1 oder 7 MBit/s wird als Datensignal via zusätzliches, neues Backplane auf die SMERF-Karte(n) zur Weiterverarbeitung in den dort integrierten Router geleitet. - Bündelkarten-Paar: neu max. 2x8 MBit/s statt max. 2x1 MBit/s 1 / 7 MBit/s Daten 1 MBit/s Sprache 1x LAN 2x WAN Ethernet 100 MBit/t V.3Ì/LWL-1 { (fürfsm) Fiber-Optik- Wandler Knoten-Vermittler: total 10 Richtstrahl-Bündel à max. S MBit/s (R-905) Abbildung 10: TRÄNET mobil - Hardwareintegration ins IMFS. Künftig können an einem Knoten-Vermittler 10 Richtstrahl-Bündel à maximal 8 MBit/s (R-905) angeschlossen werden. Der Knoten-Vermittler verfügt dazu über zwei intern untereinander verbundene SMERF-Karten, die mit je einem Motorola PowerPC MPC8260 Prozessor ausgerüstet sind. Alle anderen Vermittler-Typen enthalten eine SMERF-Karte. Für spezielle Einsätze sind weitere Bündel-Übertragungsraten mit variabler Aufteilung von Sprache und Daten in der Netzwerk-Management-Applikation einstellbar. An der SMERF-Karte ist weiter das Anschlussfeld "ASF TRÄNET mobil" mit LAN-Switch, elektrischen und optischen LAN-Schnittstellen sowie Fiber-Optik-Wandler für die zwei optischen WAN- Schnittstellen angeschlossen. HAMFU - Seite 9

11 1-10 Für die Integration von TRÄNET mobil in die bestehenden IMFS-Vermittler-Hardware sind lediglich folgende Modifikationen nötig: - Anpassung der Bündelkarten-Paare auf neu maximal 2x8 MBit/s statt 2x1 MBit/s; - zusätzliches Backplane im IMFS-Vermittler. Wird ein Teilnetz durch einen zusätzlichen Netzknoten ergänzt, muss er beim ersten Aufstarten eine eindeutige Identität erhalten. Dies erfolgt durch den Betreiber des Netzknotens lokal mittels Netzwerk-Management-Applikation (NMA): die Formation (z.b. Pz Br 3) und das Modul (z.b. Knoten 3) des Netzelementes sind auszuwählen. Anschliessend erfolgt eine automatische Konfiguration des IMFS-Sprach-Vermittlers und neu auch der TRÄNET mobil-router-karte (SMERF), basierend auf den Berndaten (siehe unten 5.3 Berndaten). Weil das Netz die aktuelle Netztopologie automatisch lernt, ist für die Verbindungen zu anderen Netzknoten prinzipiell eine beliebige Netzstruktur möglich. Voraussetzung: Für jede Richtstrahl- Station sind die entsprechenden Richtstrahl-Befehle (Azimut, Elevation, Frequenzen, etc.) erstellt. Dasselbe gilt beim Hinzufügen eines neuen Fachsystem-Moduls (FSM), beispielsweise eines INTAFF-Fahrzeugs. Beim ersten Aufstarten dieses Systems muss der Betreiber durch Auswahl von Formation (z.b. Pz Hb Abt 54) und Modul (z.b. CSKdt) eine eindeutige Identität" festlegen. Anschliessend erfolgt, basierend auf den Berndaten, eine automtische Konfiguration der vorhandenen Server, Router und Kommunikationsrechner. Von nun an kann dieses Fachsystem-Modul an jedem beliebigen TRÄNET mobil-netzknoten (IMFS-Standort) oder an jedem anderen Fachsystem-Modul mittels Lichtwellenleiter-Kabel (WAN) angeschlossen werden. Kurze Zeit später ist es von allen Netzteilnehmern aus erreichbar und kann auch alle selber erreichen. Mittels lokal vorhandener Berndaten sind sämtliche Netzteilnehmer bekannt. Bei der Verschiebung eines Fachsystem-Moduls von einem Netzknoten zum anderen muss am neuen Standort nur das Lichtwellenleiter-Kabel wieder eingesteckt werden. Eine manuelle Umkonfiguration durch die Betreiber ist nicht nötig, denn das Netz ist selbstlernend: Plug&Play. Dasselbe Prinzip gilt auch, wenn zwischen Absender- und Empfänger-Station nebst Lichtwellenleiter- und Richtstrahl-Verbindungen auch Funkstrecken vorhanden sind. Die Berndaten ermöglichen eine weitgehende Automatisierung der System-Konfiguration. Eine Datenbank enthält alle technischen Angaben für die Konfiguration (z.b. IP-Adressen, Funknetz- Adressen) eines jeden Netzelementes. Basis ist eine Abbildung der Armeestruktur. Alle so bekannten Netzelemente (Netzknoten, FSM, ISM) sind mit ihrer Bezeichnung in den Berndaten vordefiniert. Wenn der Betreiber eines Netzknotens die Formation (z.b. Pz Br 3) und das Modul (z.b. Knoten 3) in der Netzwerk-Management-Applikation ausgewählt hat, werden alle zum automatischen Konfigurieren und Hochfahren relevanten Informationen dieses Netzknotens aus den Berndaten ausgelesen. HAMFU - Seite 10

12 2-1 1 Berndaten Datenkommunikati Abbildung der Armee Material-Zuteilung Adressen tpz Br 3, Knoten 3 = IP-Adresse IP-Adresse Router-Konfiguration, etc. Abbildung 11: Prinzip der Berndaten. Um ad hoc" neue Netzelemente im Einsatz zu kreieren, sind in den Berndaten Ad hoc- Formationen" vordefiniert. Diese enthalten zwar alle technischen Angaben, sind jedoch keiner Einheit (Formation, Modul) im voraus zugewiesen. Die Zuweisung muss durch die Planungsinstanz (Einsatzstelle Telematik) im Einsatz erfolgen und allen betroffenen Netzteilnehmern mitgeteilt werden. Die Struktur der Berndaten ist prinzipiell dreigeteilt: - IP-Adressangaben - Angaben zum Einsatzort (Formation, Modul, Gerät, Schnittstelle) - Funknetz-Adressangaben Diese Angaben der Berndaten variieren je nach System (TRÄNET mobil, INTAFF, etc.). Das Prinzip der Berndaten ermöglicht, dass die Adressierung bei lokalem Betrieb bereits stimmt, obwohl das Netz noch nicht zu einem Gesamtnetz zusammengewachsen ist. Als Grundprinzip für mobile, militärische Netze gilt eine dezentrale System-Philosophie: Zwei Netznutzer müssen alle nötigen Informationen lokal verfügbar haben, um unabhängig von Dritten miteinander zu kommunizieren, sofern mindestens eine Verbindung besteht. Sie dürfen nicht abhängig sein von zentralen Elementen (z.b. Domain-Name-Server an einem dritten Standort). Die Eintrittspunkte zu ISM und FSM aus Netzsicht (TRÄNET mobil) sind feste und im voraus in den Berndaten definierte IP-Adressen, die im Netz nur einmal vorkommen (eindeutige Identität im Netz). Dies erlaubt das adressmässige Erreichen eines jeden Netzelementes, unabhängig davon, wo es im Netzverbund im Moment gerade angeschlossen ist. Weitere spezielle Forderungen von militärischen Netzen sind: - beliebige Netzstruktur ohne Netz-Hierarchien (ahierarchische Netze) - beliebige Durchmischung aller Netzknoten ohne Planungs- und Konfigurations-Aufwand muss möglich sein (Mobilität von Netzknoten). HAMFU - Seite 11

13 1-12 Zivile Adressierungs- und Routing-Verfahren In zivilen Netzen (z.b. Internet) wird normalerweise eine Link-Adressierung angwendet: Jedem Link (Verbindung zwischen zwei Netzknoten) ist ein separates IP-Subnetz zugeordnet. Folglich ist auf jedem WAN-Port der Netzknoten (Router) eine IP-Adresse zugeordnet und konfiguriert. Die Problematik dieses Ansatzes besteht darin, dass bei Netzstruktur-Anpassungen auf den betroffenen WAN-Ports die IP-Adressen entsprechend ihrer Gegenstation angepasst werden müssen. Dies ist mit einem erheblichen Planungs- und Konfigurations-Aufwand verbunden. Grosse zivile Datennetze (Internet, Intranet's,...) sind - sofern sie über ein sauberes Netzdesign verfügen - immer hierarchisch aufgebaut [1], [2], [3]: Ein Netz ist in geographische Bereiche (z.b. Genf, Bern, Zürich) aufgeteilt. In jedem Bereich sind die verschiedenen Netzknoten als Baumstruktur verbunden (strukturelle Hierarchie). Über einen Core Layer" sind die örtlich getrennten, lokalen Baumstrukturen verbunden, wobei in diesem Core Layer" keine Detail-Informationen von Netzknoten und Netznutzern aus Distribution Layer" und Access Layer" geroutet werden {siehe Abbildung 12). Dies wird erreicht, indem über das gesamte Netz nebst der strukturellen Hierarchie zusätzlich eine Adress-Hierarchie gelegt wird: alle Netzknoten und Netznutzer in Genf haben Adressen aus demselben Adressbereich. Das gleiche gilt für die andern Standorte (Bern, Zürich). So ist beim Routing das Zusammenfassen von Adressbereichen möglich (Summarisierung). O O O (gleiche Farbe = gleicher Adressbereich) Abbildung 12: Adress-Hierarchie und strukturelle Hierarchie ziviler Verfahren. Dieses Adressierungs- und Routing-Prinzip hat zur Folge, dass z.b. ein Netzknoten aus dem Bereich Bern nicht ohne Umkonfiguration in Zürich angeschlossen werden kann, eine beliebige Durchmischung der Netzknoten also nicht möglich ist. Zivile Routing-Protokolle lassen zudem nur eine sehr kleine Anzahl Netzknoten für selbstlernende, ahierarchische Netze zu [4]: beim E-IGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) sind maximal 90 garantiert. Adressierungs- und Routing-Verfahren von TRÄNET mobil Für die mobile militärische Datenkommunikation wurde als Adressierungs-Prinzip eine Knoten- Adressierung gewählt. Jeder Netzknoten hat lediglich eine Knoten-Adresse und keine Link- Adressen. Dadurch können Netzstruktur-Änderungen ohne Adress-Planungsaufwand und Um- HAMFU - Seite 12

14 1-13 konfiguration der betroffenen Netzknoten durchgeführt werden, denn das Netz ist bezüglich Netzstruktur selbstlernend. Um beliebige, ahierarchische Netzstrukturen für grosse Netze zu ermöglichen, ist ein spezielles Routing-Verfahren nötig (siehe Abbildung 13): - Zwischen den in den IMFS-Vermittlern eingebauten TRÄNET mobil-netzknoten findet ein On- Demand Routing statt (Lawinensuche / Flood Search). - Zwischen den TRÄNET mobil-netzknoten und ihren lokal angeschlossenen LAN und WAN kommt das Link-State Routingprotokoll OSPF zum Einsatz. Routing TDN-Routing (On-Demand-Routing) Lawinensuche, bei Bedarf OSPF Eindeutige Adressen pro mobiles System, im Voraus bestimmt (Berndaten) Dies läuft folgendermassen ab: Abbildung 13: Adressierung und Routing von TRÄNET mobil. Jeder TRÄNET mobil-netzknoten kennt anhand seiner Routing-Tabelle alle lokal angeschlossenen LAN und WAN, die mittels OSPF erreicht werden. Wenn beispielsweise ein FSM ein IP-Paket an einen Empfänger innerhalb der lokalen LAN und WAN des ersten TRÄNET mobil-netzknotens senden will, so erfolgt das Routing mittels OSPF- Standardverfahren. Wenn aber der Empfänger innerhalb eines lokalen LAN oder WAN eines anderen TRÄNET mobil-netzknotens als der Absender angeschlossen ist, so läuft folgendes ab: da der Absender anhand seiner Routing-Tabelle den Empfänger nicht kennt, sendet er das IP-Paket an den ersten TRÄNET mobil-netzknoten. Wenn dieser den Empfänger anhand seiner Routing-Tabelle ebenfalls nicht kennt, so löst er eine Lawinensuche (Flood Search) zu weiteren TRÄNET mobil- Netzknoten aus, bis er eine positive Antwort erhält. Sobald die Antwort vorliegt, wird das IP-Paket zu dem TRÄNET mobil-netzknoten weitergeleitet, an dessen lokalen LAN oder WAN der Empfänger angeschlossen ist. Dies erfolgt mittels IP-Tunneling zwischen den TRÄNET mobil- Netzknoten. Vom letzten TRÄNET mobil-netzknoten zum Empfänger kommt wieder das OSPF- Standardverfahren zum Einsatz. Der Mechanismus der Lawinensuche (Flood Search) - das Tactical Datagram Network (TDN) - basiert von der Idee her auf der Eurocom-Lawinensuche des IMFS-Sprachnetzes [5] und wurde für Datennetze adaptiert. Trotz des in der zivilen Welt nicht bekannten TDN, verfügt TRÄNET mobil über zivile Standards gegen Aussen (TCP/IP mit OSPF auf den LAN und WAN). HAMFU - Seite 13

15 1-14 Dieses Routingverfahren wurde optimiert für grosse selbstlernende Netze mit rasch ändernder Netzstruktur: - Die maximale theoretische Systemgrösse beträgt total 999 IMFS-Vermittler mit TRÄNET mobil (SMERF), wobei an jedem ca. 30 lokale Router (FSM) angeschlossen werden können. Dies ergibt total ca. 30'000 Netzknoten für Plug & Play (theoretischer Wert). - Mit zivilen Routern können maximal ca. 90 Netzknoten für Plug & Play [4] zusammengeschlossen werden (garantierte Hersteller-Angabe). Um die hohen Forderungen an die Verfügbarkeit unter den widrigen Bedingungen von militärischen Netzen wie häufige Netz-Umbauten, hohe Degradationsanfälligkeit infolge Zerstörung, etc. zu erreichen, sind pro System-Ebene (siehe Anhang 2: Räumliches Systemschichten-Modell) dezentral vorhandene Management-Funktionalitäten vorhanden: Übertragungs-Ebene Geräte-Management (Konfiguration, Überwachung und Diagnostik der Übertragungsstrekken mittels BITE: Built-in Test Equipment) an jedem BSG 93, lokal vor Ort. Netzwerk-Ebene (Sprache und Daten) Node-Managment (lokale Konfiguration und Überwachung) auf dem Bedienplatz (NMT) an jedem Netzknoten-Standort, lokal vor Ort. System-Management (Teilnetz-Überwachung) auf dem NMT, nur einmal pro Teilnetz aktiviert. Bei Ausfall des aktiven System-Managers übernimmt ein anderer Standort (Netzknoten) diese Funktion. Nutzer-Ebene Local-Management (lokale Konfiguration, Benutzerverwaltung und Überwachung) an jedem FSM / ISM, lokal vorort. System-Management am wichtigsten Standort des Netzverbundes, anhand der organisatorischen Hierarchie (Unterstellung). Bei Ausfall des aktiven System-Managers übernimmt ein anderer Standort (ISM, FSM) diese Funktion. fedine»'mam» H i Piiciitk Fritz RW Za««Nuztersysetm B TAîfNÊT mobüü Local- Management (Daten) System - Management Abbildung 14: Management-Funktionalitäten. HAMFU - Seite 14

16 1-15 Da das Netz ahierarchisch ist, bestehen auf der Netzwerk-Ebene für das Netz-Management keine im voraus bestimmten System-Hierarchien. Die Nutzer-Ebene erhält im Einsatz anhand der aktuellen militärischen Hierarchie eine situative Hierarchie (Unterstellungen). TRÄNET mobil verfügt dank Plug & Play-Prinzip, ahierarchischer Netzphilosphie, Knoten- Adressierung und Berndaten über sehr einfache Planungs- und Betriebsabläufe. Dies zeigt sich beispielsweise bei der Arbeit zwischen der Einsatzstelle T elematik der Übermittlungs-Formation und dem Feuer-Führungs-Zentrum der Artillerie, der Einsatzstelle des Fachsystems INTAFF (vgl. Abb. 15). Zwischen den Partnern sind lediglich Koordination und Absprachen nötig, das Planen technischer Parameter, wie etwa IP-Adressen, fällt weg. Ebenso am Einsatzort, wo zwischen dem Netzknoten-Betreiber und dem FSM-Betreiber nur noch die Frage des Leitungsbaus oder die Lage des Fahrzeugparks abgesprochen werden muss. Befehlsgebung und Einsatzführung der Übermittlungs-Formationen ändern sich wegen TRÄNET mobil nicht. c TO IJ> O) c 3 Einsatzstelle Telematik (Eist Tm) Einsatzplanung Einsatzführung Dem Fo Befehlsgebung & Einsatzführung Uem Fo Koordination & Absprachen wann & wo für INTAFF LWL-1-Anschlüsse verfügbar CD S O) 12 <D Feuer-Führungs-Zentrum der Artillerie (FFZ) Einsatzplanung Einsatzführung INTAFF Befehlsgebung & Einsatzführung INT AFF wo Fz-Park, wo Kabel einstecken, wer macht Leitungsbau, etc. Abbildung 15: Planungs- und Betriebsabläufe. Die Funk-Anbindung an TRÄNET mobil ist mit INTAFF prinizpiell gelöst. Durch Fahrzeuge wie den RAP Panzer, der an seinem ausfahrbaren Mast über angebrachte Richtstrahlstationen verfügt (siehe Anhang 3: Hardware IMFS / TRÄNET mobil), kann die Richtstrahl-Knoten-Ebene in Zukunft zugunsten von mobilen Kommandoposten sehr rasch erweitert werden. Für die künftigen mobilen Kommandoposten müssen nun lediglich miniaturisierte IMFS-Vermittler mit TRÄNET mobil für die Führungsfahrzeuge und Shelter entwickelt werden. HAMFU - Seite 15

17 1-16 Nebst der Anbindung von mobilen Funk-Netzen an TRÄNET mobil ist auch die Anbindung an ortsfeste Netze und Systeme zu lösen. Dies ermöglicht, dass beispielsweise mobile Flab- oder Lufttransport-Abteilungen mittels dem Führungs-Informations-System der Luftwaffe (FIS LW) über TRÄNET mobil und TRÄNET permanent auf ihre Server in der Einsatzzentrale der Luftwaffe und auf den Flugplätzen zugreifen können. Dazu gibt es aus taktischen Gründen mehrere Netzübergänge zwischen TRÄNET mobil und dem ortsfesten TRÄNET permanent. Das Problem dabei ist, dass TRÄNET permanent nicht wissen kann, über welchen Netzübergang ein TRÄNET mobil-teilnehmer mit der gerade gültigen TRÄNET mobil-netzstruktur erreicht werden kann. TRÄNET permanent kann die aktuelle und dauernd ändernde Netztopologie des gesamten TRÄNET mobil nicht lernen, da TRÄNET permanent über kein On-Demand-Routing verfügt und somit die Mobilität von TRÄNET mobil nicht handhaben kann. Um dieses Problem zu lösen, sind Netzübergänge nur zwischen TRÄNET permanent und dem im Dauerbetrieb stehenden IMFS / TRÄNET mobil-festnetz vorhanden. So kann TRÄNET permanent einen beliebigen Netzübergang wählen, den Rest der Wegsuche übernimmt das IMFS / TRÄNET mobil-festnetz, von dem aus alle anderen mobilen Netzelemente erreichbar sind. Der umgekehrte Fall, einen TRÄNET permanent-teilnehmer vom TRÄNET mobil aus zu erreichen, ist kein Problem, da TRÄNET permanent ortsfest ist (keine Mobilität) und folglich irgendein Netzübergang benutzt werden kann. Für den Fall der Degradation im Bereich von Netzknoten mit Netzübergängen zwischen TRÄNET mobil und TRÄNET permanent mussten zudem zusätzliche Mechanismen auf der SMERF-Karte eingebaut werden. Gleichzeitig mit der Einführung von TRÄNET mobil wird das heutige IMFS mit diversen Neuerungen erweitert und erfährt dabei einen technischen Quantensprung: - Integration TRÄNET mobil (IP-Datennetz) - Anpassung von 9- auf 7-stellige Teilnehmer-Nummern (7-Digit Numbers) infolge internationaler Interoperabilität - Reduktion von 4 auf 1 Sprachregion (à max. 999 Vermittler) für das ganze IMFS - Verbindung Vermittler - Bedienplatz: neu über Ethernet statt serielle HDLC-Verbindung - neues Richtstahl-System R-905 (8 MBit/s) als Ablösung für das alte R neu BBUS-Übertragungsstrecken im Netzbereich Festnetz (3x2 MBit/s) - zusätzliche Netzbereiche Festnetz, Luftwaffe, evtl. Ausland - Radio Access Point Panzer (RAP Pz) - Funkintegration neu mit Shifting (RAPw und RAP Pz). Die oben aufgeführten Erweiterungen des IMFS führen zum Namenswechsel IMFS plus. HAMFU - Seite 16

18 Schlussbetrachtungen Die System-Architektur von TRÄNET mobil ist insbesondere dank Prototyping entstanden. Für die Realisierung waren folgende Prinzipien wegweisend: - dezentrale System-Philosophie - dezentrales Netz-Management - Knoten-Adressierung - ahierarchisches Adressierungs-Prinzip - On-Demand-Routing (Lawinensuche / Flood Search Routing) - Berndaten zur Automatisierung der Abläufe - zivile Standards gegen Aussen (TCP/IP, OSPF). Diese, sowie die Hardware-Integration ins IMFS, führten zu einem selbstlernenden System (Plug & Play) mit einfachen Planungs- und Betriebsabläufen, das miliztauglich ist und die mobile Datenkommunikation sicherstellen kann. Die INTAFF-Datenfunk-Lösung deckt die Anforderungen der mobilen Führung prinzipiell ab (Mobile Kommandoposten mit Shelter, Führungsstaffel mit Rad-Panzer). Es bleibt zu klären, ob und wie diese Lösung beispielsweise für künftige Fachsysteme im Bereich Kampftruppen weiterentwickelt und verallgemeinert werden kann. Dabei muss eine Telekommunikations-Plattform für hochmobile Teilnehmer angestrebt werden, auf der die unterschiedlichsten Fachapplikationen laufen können. Ein erster Schritt in diese Richtung ist mit TRÄNET mobil gemacht, denn damit verfügen die Führungsinformations- und Fachsysteme über das benötigte mobile Netz. Wie beim World Wide Web, wo mit dem Internet die Basis für die WEB-Applikationen geschaffen wurden, bildet TRÄNET mobil den Grundstein für ein künftiges mobiles Datennetz für die Armee. HAMFU - Seite 17

19 1-18 Anhang 1: Symbol-Legende IMFS-Vermittler mit integrierter TRÄNET mobil-routerkarte (Netzknoten) TRÄNET mobil-routerkarte (SMERF), integriert im IMFS Vermittler dezentrales Netzmanagement-System IMFS / TRÄNET mobil - t Richtstrahl-Verbindung - R-905: 8 MBit/s - R-916: 2 MBit/s Funk-Verbindung Funkgerät SE-235 Informationssystem-Modul ISM, immer am selben Standort wie IMFS / TRÄNET mobil - Netzknoten Fachsystem-Modul FSM mit Router (z.b. INTAFF), an beliebigem IMFS / TRÄNET mobil - Netzknoten anschliessbar Fachsystem-Router (z.b. INTAFF-Router) TCC Telecommunication-Controller TCC von INTAFF HAMFU - Seite 18

20 1-19 Anhang 2: Räumliches Systemschichten-Modell Um komplexe mobile Kommunikationsprobleme gesamtheitlich lösen zu können, musste ein geeignetes Modell kreiert werden - das Räumliche Systemschichten-Modell. Der Kommunikations-Prozess mit allen Bewegungen und Informationsflüssen ist in der Ebene dargestellt unübersichtlich: Das Räumliche Systemschichten-Modell entflechtet den Bewegungs- und Kommunikations- Prozess eines Gesamtsystems logisch gegliedert auf mehrere, quasi-geographische System- Ebenen: Funktionen / Bewegungen Informationsflüsse Lage-Meldung Nutzer- Ebene Netzwerk- Ebene Übertragungs- Ebene Rot dargestellt ein möglicher Kommunikationspfad zur Übermittlung einer Lage-Meldung von einem fahrenden Fahrzeug in einen ortsfesten Kommandoposten ( Moment-Aufnahme"). HAMFU - Seite 19

21 1-20 Dabei wiederspiegeln die obersten zwei System-Ebenen das mobile Kommunikations-Bedürfnis und die restlichen die dazu nötige technische Lösung: Prozess-Würfel Um den gesamten Ablaufeines Kommunikations-Prozesses abzubilden, muss jeder relevante Schritt - z. B. Stillstand, Fahrt,... - in einem separaten Prozess-Würfel dargestellt werden (zeitliche Abfolge von Moment-Aufnahmen"): Stillstand (vorder Verschiebung) Fahrt (während der Verschiebung) - il»- Stillstand (nach der Verschiebung) Funktionen / Bewegungen Informationsflüsse Nutzer-Ebene Netzwerk-Ebene Übertragungs-Ebene Funktionen / Bewegungen Informationsflüsse Nutzer-Ebene Netzwerk-Ebene Ubertragungs-Ebene m Zeitachse Das Räumliche Systemschichten-Modell ist ein Werkzeug zur Abbildung der Zusammenhänge zwischen Raum, Information und Zeit bei mobilen Kommunikationssystemen. HAMFU - Seite 20

22 1-21 Anhang 3: INTAFF-Fahrzeuge INTAFF-Führungsstaffel-Fahrzeug basierend auf einem Rad-Panzer Mowag Piranha 8x8. Feuer-Führungs-Zentrum (FFZ) mit INTAFF-Workstations, eingebaut in einem Shelter. Schiess-Kommandanten-Fahrzeug auf Basis des Mowag Eagle. HAMFU - Seite 21

23 1-22 Anhang 4: Hardware IMFS / TRÄNET mobil Übersicht der verschiedenen Vermittler-Typen mit der jeweiligen Anzahl Schnittstellen: Vermittler-T yp Vermittler-Frontplatte C ^ Sprache & Daten CE Ristl-Bündel DTS A TS Amt W A N 0 TmTT LAN 2x 8MBit/s pro Bündelkartenpaar (digital) ( a n a l o g ) Serial V.35 Fiber-Optik 2 MBit/s Ethernet 100 MBit/s Full-Duplex 100Base FX & 100BaseTX Knoten-Vermittler ' : * # " I - Kommandposten- Vermittler I - # # # = i # # Klein-Vermittler Klein-Vermlttler mobil * i # o- f 18 6 Stecker mit allen LAN- & WAN-Anschlüssen (Verbindung von SMERF-Karte auf Anschlussfeld ASF TRÄNET mobil) Die IMFS-Geräte sind in Fahrzeugen eingebaut oder werden am Einsatzort als Stapel aufgestellt: Bündel- Schlüsselungsgeräte DSG 96 Anschlussfeld neu mit ASF TRÄNET mobil" Vermittler neu mit integrierter Router-Karte (SMERF) Speisung HAMFU - Seite 22

24 1-23 Klein-Vermittler mobil, eingebaut in Puch-Geländewagen. Radio Access Point Panzer (RAP Pz) für die Funkintegration, basierend auf Rad-Panzer Mowag Piranha 8x8, mit ausfahrbarem Mast für Funk und Richtstrahl. Referenzen / Literatur [1] Buck, Graham: TCP/IP Adressing, 1997, San Diego [2] Retana, Alvaro: Advanced IP Network Design, 1999, Indianapolis [3] Tischer, Michael / Jennrich, Bruno: Internet intern, 1997, Düsseldorf [4] Pepelnjak Ivan: EIGRP Network Design Solutions, 2000, Indianapolis [5] Eurocom Norm "Tactical Communications Systems" HAMFU - Seite 23