Ohjelmistoyhdyskäytävät taktisten datalinkien käännökseen: Link 16, VMF, CoT ja NFFI

Koalition yhteinen tehtäväjoukko toimii yhteensopimattomien datakielten maisemassa. Ilmakomponentti puhuu Link 16 — J-sarjan viestit MIL-STD-6016:ssa JTIDS/MIDS-aaltomuodon yli. Maavoimat vaihtavat sijainteja ja käskyjä VMF:ssä (Variable Message Format) taktisten radioiden yli tai NFFI:ssä (NATO Friendly Force Information) IP:n kautta prikaatitason C2-järjestelmien välillä. Jalkautuneet sotilaat ja yhteisten terminaalimaalinjohtajat lähettävät CoT (Cursor-on-Target) -tapahtumia IP:n yli ATAK-tableteista. Tiedustelujärjestelmät julkaisevat raitoja omistusoikeudellisessa XML:ssä tai MIP:n Information Exchange Standardissa. Nämä muodot eivät kommunikoi natiivisti keskenään. Ohjelmistoyhdyskäytävä on se, mikä tekee niistä yhteensopivia — tallentaen jokaisen muodon, kääntäen semanttisen sisällön toiseen muotoon, halliten tuloksena olevia raitaidentiteettejä, soveltaen suodatussääntöjä ja toimittaen käännetyt tiedot viivebudjetissa, joka pitää yhteisen operatiivisen kuvan taktisesti hyödyllisenä. Tässä artikkelissa tarkastellaan, miten taktiset datalinkki (TDL) -yhdyskäytävät toimivat ja missä ne johdonmukaisesti jäävät puutteellisiksi.

Datalinkki-maisema

Käännösongelman ymmärtäminen vaatii ymmärtämään, mihin kukin datalinkki-muoto on suunniteltu, koska jokainen on suunniteltu eri ympäristöön erilaisilla rajoitteilla.

Link 16 — määritelty MIL-STD-6016:ssa — on aikajakoinen monipääsyaaltomuoto, joka on suunniteltu ilmasodankäyntiin. Sen J-sarjan viestit kantavat valvontaraitoja, PPLI-tietoja (Precise Participant Location and Identification), tehtävänhallintaviestejä ja asekoordinoinnin sisältöä. Link 16 on kompakti, salattu, pieniviveinen ja häirintäkestävä suunnittelultaan. Sen kaistanleveys jaetaan kaikkien terminaalien välillä TDMA-aikasloteilla, mikä asettaa kovan katon sille, kuinka monta raitaa voidaan jakaa millä päivitysnopeudella. Link 16 -verkko ei ole yleiskäyttöinen IP-verkko; se on tarkoituksenmukaisesti rakennettu viestibussi, jolla on kiinteä kapasiteetti ja jäykkä viestiskeema.

VMF (Variable Message Format, MIL-STD-2045-47001) on Yhdysvaltain armeijan ja yhteinen standardi taktisille digitaalisille viesteille. VMF-viestit ovat binäärikoodattuja ja optimoituja kapeakaistaisten radiosiirtovälineiden varalle — suunnitteluvalinta, joka mahdollistaa niiden kuljettamisen HF- tai VHF-radiokanavilla kilobittejä sekunnissa -läpäisyllä. VMF kattaa laajan valikoiman viestimuotoja: tilannetietoisuusraportit, digitaaliset käskyt, tulipalvelupyynnöt, logistiikkaviestit ja paljon muuta.

CoT (Cursor-on-Target) on XML-tapahtumaskeema, joka on suunniteltu TAK (Team Awareness Kit) -ekosysteemille. CoT-tapahtuma on minimaalinen, laajennettava rakenne: yksilöllinen tunniste (UID), maantieteellinen sijainti, tapahtumatyyppi, joka on johdettu taksonomiasta (mukaan lukien sotilaalliset MIL-STD-2525 -symbolikoodit), käyttöikä ja valinnaiset yksityiskohdat. CoT on suunniteltu olemaan yksinkertainen ja IP-natiivi, ihmisten ja koneiden luettavissa, laajennettavissa ilman jäsentimien rikkoutumista ja tarpeeksi pieni kulkemaan taktisen radiolinkin yli. Siitä on tullut de facto yhteinen kieli jalkautuneen sotilaan ja yhteisen terminaalimaalinjohtajan yhteisöissä.

NFFI (NATO Friendly Force Information, STANAG 5527) on liitouman standardi ystävällisten joukkojen sijainti- ja identiteettitietojen jakamiseen maakontrollijärjestelmien välillä IP:n yli. Se määrittelee viestijoukon raitojen raportointia, raitahallintaa ja viranomaisten siirtoa varten. NFFI on valinnan mukainen datalinkki prikaati- ja ylempitasoisille C2-järjestelmille, jotka tarvitsevat maajoukkojen raitojen vaihtamista liittoutuneiden järjestelmien kanssa.

Mitä TDL-yhdyskäytävä todella tekee

Ohjelmistopohjainen TDL-yhdyskäytävä ei ole yksinkertainen protokollamuunnin. Jos ainoa haaste olisi tavujen muotoilu yhdestä koodauksesta toiseen, insinöörityö olisi triviaalia. Vaikeat ongelmat ovat semanttisia: näiden muotojen taustalla olevat tietomallit eroavat, raitaidentiteettijärjestelmät eroavat, päivitysnopeudet eroavat ja yhdessä muodossa saatavilla olevilla määritteillä ei ehkä ole vastinetta toisessa. Yhdyskäytävän on ratkaistava kaikki nämä ongelmat samanaikaisesti ja tehtävä se reaaliajassa viivebudjetissa, joka mitataan sadoissa millisekunteissa.

Viestien jäsennys ja normalisointi

Yhdyskäytävän ensimmäinen tehtävä on jäsentää jokainen tuleva muoto ja normalisoida se sisäiseen esitykseen. Tämän sisäisen esityksen on oltava riittävän rikas tallentamaan kaikki attribuutit, joita mikä tahansa lähdemuoto voi kantaa, menettämättä tietoja, joita kohdemuoto voi ilmaista. Yleinen valinta on kanoninen raitaobjekti, joka pitää identiteettimääritteet (kutsukirjaimen, raitanumeron, kansallisen raitaidentiteetin, ICAO-transponderin koodin), sijainnin ja kinematiikan (geodeettisen sijainnin, korkeuden, nopeuden, kurssin), luokituksen (ilma/pinta/vedenalainen/maa, ystävä/neutraali/tuntematon/vihollinen, erityinen alustatyyppi), tietolaatuindikaattorit ja provenienssin metatiedot.

Normalisointi on paikka, jossa ensimmäiset semanttiset menetykset tapahtuvat. Link 16:n J3.0-valvontaraita-viesti kantaa raitalaatuindikaattorin määritellyllä asteikolla; CoT:ssa ei ole vastaavaa kenttää. CoT-tapahtuman detail-osio voi kantaa sotilaalliset symbolikoodit, mutta sama alusta voidaan kuvata eri tavoin Link 16 -raidassa. Yhdyskäytävän on dokumentoitava, mitä se säilyttää ja mitä menettää jokaisessa käännössuunnassa.

Raitahallinta ja viestikorrelaatio

Raitahallinta on toiminto, joka ylläpitää aktiivisten raitojen kokoelmaa — yksi per todellinen entiteetti — kaikkien tietolähteiden välillä. Kun uusi raportti saapuu, jäljittimen on päätettävä: onko tämä uusi entiteetti vai onko tämä päivitys olemassa olevaan raitaan? Jos se on päivitys, mihin olemassa olevaan raitaan se kuuluu? Tämä on viestikorrelaation ongelma.

Korrelaatioalgoritmit toimivat tyypillisesti kahdessa vaiheessa. Ensimmäinen vaihe on kinemaattinen porttaus: jos raportoitu sijainti ja nopeus ovat geometrisesti johdonmukaisia olemassa olevan raidan kanssa — uusi raportti osuu raidan ennustettuun sijaintiepavarmuusellipsiin — raportti on ehdokas kyseiselle raidalle. Toinen vaihe soveltaa identiteettimääritteitä: jos ehdokkaalla on vastaava kutsukirjain, ICAO-koodi tai raitanumero, korrelaatiovarmuus nousee jyrkästi. Kun molemmat vaiheet ovat yhtä mieltä, raita päivitetään. Kun ne ovat eri mieltä — sijainti johdonmukainen mutta identiteetti ei täsmää, tai identiteetti täsmää mutta sijainti ei johdonmukainen — algoritmin on valittava uuden raidan julistamisen tai mahdollisesti virheellisen korrelaation pakottamisen välillä.

Korrelaatio on erityisen haastavaa, kun Link 16 -raitoja — jotka päivittyvät kahden ja kahdentoista sekunnin välein ja kantavat korkean tarkkuuden geodeettisiä sijainteja — korreloidaan TAK-laitteiden CoT-raitoihin, jotka voivat päivittyä harvemmin ja kantaa sijainteja, jotka heijastavat GPS-tarkkuutta eikä tutka-raidan sensifuusion tarkkuutta.

Suodatus- ja julkaisukelpoisuussäännöt

TDL-yhdyskäytävä sijaitsee tietorajalla. Kaikkia raitoja yhdestä toimialueesta ei pitäisi virtata toiseen: jotkut raidat ovat luokiteltuja tasolle, jota ei voida julkaista vastaanottavalle osapuolelle, jotkut ovat maantieteellisesti epäolennaisia kuluttajalle, jotkut ovat tietolaadun kynnyksen alapuolella ja jotkut ovat jo kohdenverkon raitojen kaksoiskappaleita. Suodatussäännöt koodaavat nämä päätökset.

Julkaisukelpoisuussuodatus on arkaluonteisin. Koalitiossa, jossa kansakunnilla on erilaiset turvaluokitukset ja erilaiset tietojenjakamissopimukset, yhdyskäytävän on pakotettava, että kansakunta A:n raidat ovat julkaisukelpoisia kansakunta B:lle ennen niiden edelleenlähetystä. Maantieteellinen suodatus vähentää visuaalista hälyä ja kaistanleveyden kulutusta. Kuluttaja, joka on kiinnostunut ilmakuvasta tietyllä operaatioalueella, ei tarvitse raitoja puolelta mantereelta.

Viivebudjetti

TDL-yhdyskäytävän viivebudjetti on enimmäisviive, jonka yhdyskäytävä voi tuoda jokaisen datalinkkin natiiviraportointiviiveen päälle. Link 16 -ilmaraidoille, joita käytetään siepauksessa tai ajankriittisessä tulikomentotehtävissä, natiiviraportointisykli on jo kaksi kahteentoista sekuntia; useiden sekuntien yhdyskäytävän viiveen lisääminen päälle tuottaa raidan, joka on operatiivisesti hyödytön aikakriittisiin päätöksiin. Tilannetietoisuusnäyttöille prikaatissa ja ylempänä muutaman sekunnin lisäviive on yleisesti hyväksyttävää.

Viive yhdyskäytävässä kertyy useista lähteistä: syöttöjonon syvyydestä, kun viestin saapumisnopeus ylittää käsittelynopeuden, korrelaation käsittelyajasta monimutkaisissa monesta-moneen-korrelaatioskenaarioissa, tuotossarjoitteluajasta suurille erille ja verkon siirtoajasta kuluttajaan. Pahin tapaus — Link 16 -päivitysten ryöppy korkean intensiteetin ilmaottelussa, kaikki vaativat korrelaation suurta olemassa olevaa raitatietokantaa vastaan — on juuri se, kun viive on tärkeintä. Yhdyskäytävän suunnittelijoiden on stressitestattava realistisissa huippukuormaskenaarioissa, ei vain keskimääräisen kuorman arviointilaskelmissa.

Avoimet standardit ja yhdyskäytävä-ekosysteemi

TDL-yhdyskäytävämarkkinat sisältävät sekä omistusoikeudellisia sotilassysteemejä että toteutuksia, jotka on rakennettu avoimien tai julkaistujen spesifikaatioiden pohjalta. Avoimen puolen osalta CoT-skeema on julkaistu ja laajalti toteutettu; TAK-ekosysteemi on tuottanut avoimia viitetoteutuksia, jotka muodostavat monien hallituksen kehittämien yhdyskäytävien perustan. NFFI (STANAG 5527) on NATO:n standardi, joka on saatavilla jäsenvaltioille. MIL-STD-6016 ja MIL-STD-2045-47001 ovat Yhdysvaltain standardeja, joilla on hallittu jakelu.

XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol) on noussut suosituksi siirtokerrokseksi CoT-jakelulle TAK-ekosysteemissä ja FMN:ssä, sekä siksi, että se tarjoaa luotettavan viestintäsemantiikin IP:n yli, että siksi, että sen federoitu arkkitehtuuri skaalautuu koalition käyttöön ilman yksittäistä keskusvälittäjää. Useat FMN-viestipalvelujen kansalliset toteutukset on rakennettu XMPP:n päälle CoT:n ollessa hyötykuorma, luoden de facto koalition raitajakelu­kerroksen muodollisemman NFFI-arkkitehtuurin alle. Yhdyskäytävät, jotka tukevat XMPP:tä sekä syötteenä että tuotoksena, voivat palvella sekä TAK-keskeistä maajoukkojen yhteisöä että FMN-suuntautunutta koalition C2-yhteisöä yhdestä integrointipisteestä. CoT:n laajempi rooli NATO:n yhteensopivuudessa on katettu artikkelissamme CoT ja TAK NATO:n yhteensopivuudessa.

API-yhdyskäytäväkuvio — TDL-käännöksen tarjoaminen palveluna REST- tai gRPC-API:n yli omistusoikeudellisen binääriliittymän sijaan — on saavuttamassa jalansijaa, kun koalitioarkkitehtuurit siirtyvät kohti palvelupohjaisia suunnitteluja. API-pohjainen TDL-yhdyskäytävä voidaan integroida koalition tietojenjakamisalustoihin ilman räätälöityä matalan tason integrointia jokaiselle kuluttajajärjestelmälle.