艦艇編隊網絡互聯機制研究?

王玉龍

（北京市西三環中路19號 北京 100421）

1 引言

經過幾十年建設及發展，我國海軍通信系統已基本覆蓋了陸、海、空、天、潛等作戰平臺，初步具備了有線、短波、超短波、衛星、數據鏈等多手段通信保障能力。然而，在現階段的網絡建設中，由于各通信子網獨立設計，缺乏有效的互聯互通手段和統一的路由策略，形成了“煙囪”式的網絡結構，無法實現各個子網間之間的信息流轉。

隨著全球軍事作戰模式向網絡中心戰的轉變，依托單一通信手段或離散的多種通信手段難以提供有效的信息傳輸交換支撐和信息服務支撐，因此在海軍通信領域，急需研究一種新的網絡互連機制，將編隊內的多個應用系統通過各種有線／無線進行互聯，全面提升艦艇編隊中各節點之間的信息傳輸能力。

2 戰術無線通信網絡發展趨勢

為了實現作戰模式向網絡中心戰［1］的轉變，以美國為首的西方先進國家大力發展力量網（FORCEnet）、自動數字網絡系統（ADNS）和多國部隊海上戰術廣域網（MTWAN）。

· 力量網FORCEnet［2］是美國海軍實現網絡中心戰的推進手段，也是全球信息柵格GIG（美國國防部實現網絡中心戰的多兵種聯合作戰構想）的海軍部份。FORCEnet是信息時代美軍海戰的作戰構想和體系結構框架，它將士兵、傳感器、網絡、指揮控制、平臺和武器集成為網絡化的、分布式的作戰力量，能夠靈活應對從水下到空中、從海上到岸上的各類沖突。

· 自動數字網絡系統 ADNS［3］（Automated Digital Network System）是FORCEnet與GIG互聯的“網關”部分。美國海軍計劃利用ADNS最終實現全球范圍“端到端”的透明無縫連接，在不必大量增加通信設備的前提下，將艦艇無線電通信系統的容量擴大四倍，以滿足艦艇作戰系統日益增長的信息傳輸需求。ADNS早在1988～1997年就已初具雛形，美海軍利用專用的路由設備、信道接入控制協議實現了“IP over RF”和多個無線信道資源的綜合利用，大大提高了網絡容量。到2002～2005年，美海軍計劃利用聯合戰術無線系統（JTRS）寬帶組網波形替換傳統的電臺設備，以軟件無線電的形式，實現動態、自組織、自適應選擇頻率組網。

· 海上戰術廣域網 MTWAN［4］（Maritime Tactical Wide Area Network）是上世紀90年代后期，以美軍為首的多個國家推動了海軍兵力結構中的信息共享，是達到全網絡中心環境作戰的一個重要步驟。MTWAN采取基于IP的互連策略，允許多種形式的數據在單一網絡中進行融合，擴大了海上移動戰術環境中的廣域互連能力、有效性和移動性。

國外戰術無線通信的發展歷程和趨勢給我海軍艦艇編隊戰術無線通信網絡發展提供了重要啟示。首先，美國網絡中心戰的發展指出了未來戰爭“信息化”和“網絡化”的強烈需求，牽引著戰術無線通信向著高度網絡化方向快速發展，我海軍信息化裝備的建設必須盡快適應從“平臺中心戰”向“網絡中心戰”的轉型，必須大力開展綜合網絡通信研究。其次，美海軍的ADNS計劃通過無線通信網絡將各作戰平臺以及艦內通信網與岸基通信網等連接成為一個自動化的數字網絡系統，提供無縫的數據傳輸，利用專用的路由設備、信道接入控制協議實現了“IP over RF”和多個無線信道資源的綜合利用，大大提高了網絡容量，從而提高其海上作戰能力，這正是我海軍急需解決的問題，具有重要參考價值。再次，美海軍非常重視無線通信在戰術環境中如何提升信息共享的高效性，提出的MTWAN有效地完成了多種無線異構子網之間的互連互通，MTWAN采取基于IP的互連策略，允許多種形式的數據在單一網絡中進行融合，擴大了海上移動戰術環境中的廣域互連能力、有效性和移動性，推動了海軍兵力結構中的信息共享，是達到全網絡中心環境作戰的一個重要步驟。MTWAN基于IP互連的技術體制對于構建我海軍戰術無線通信網具有積極的借鑒作用。

3 艦艇編隊網絡互連模型分析

在我海軍戰術無線通信網絡系統中，由于艦艇平臺之間存在多種無線通信子網，系統需要解決如何在多種子網中選擇傳輸路徑、信息在子網內部的多跳傳輸、信息在不同子網之間的相互轉發等問題。其中，信息在子網內部傳輸屬于同構的子網內部互連互通問題，多種子網選擇和跨子網轉發屬于異構子網之間的互連互通問題。所以，系統既需要實現各種無線子網內部的互連互通，也需要實現不同無線子網之間的互連互通。借鑒MTWAN和ADNS結構，艦艇編隊戰術無線通信網的系統互連模型如圖1所示。

圖1 網絡互連模型示意圖

如圖1所示，無線異構網絡互聯協議完成編隊內無線子網互聯形成編隊內無線網絡，實現跨子網轉發功能。通過將艦內網絡與編隊內無線網絡互聯，基于IP路由技術實現編隊內各個艦艇之間的IP化業務的通信。當其他編隊采用IP路由技術體制時，可支持與其他編隊的互聯。

3.1 互連模型分析

由于編隊網采用IP分組技術體制實現編隊內異構子網的互聯，選擇合適的互連模型是實現編隊內異構子網互聯功能的基礎。從網絡路由的角度來看，常用的網絡互連模型可分為單自治域系統和多自治域系統兩類，如圖2所示。

圖2 互連模型分析

單自治域系統模型將整個網絡作為一個路由自治域，內部路由器之間運行內部網關協議IGP［5］。多自治域系統模型將整個網絡劃分為多個自治域，自治域內獨立選擇內部網關協議，自治域之間通過外部網關協議EGP實現路由信息交換，EGP的工作是在自治系統之間傳遞路由信息，而不是去發現和計算路由信息，發現和計算路由信息的任務由IGP路由協議來完成。

3.2 互連模型選擇

考慮到艦艇編隊戰術無線通信網包含有多種無線子網，各子網之間相互獨立，且不同子網之間的特性存在較大差異，因此多自治域系統的網絡互連模型更適合編隊網絡環境。

在這種模型中，傳輸層路由可采用子網內路由和子網間路由的兩層路由方式。

在子網內部，針對不同無線子網在信道帶寬、傳輸速率、傳輸距離、拓撲結構等方面的差異性，可采用不同的路由方式實現。如短波HF子網可采用無線令牌環網方式實現互連，而VHF和UHF子網可采用基于Ad hoc路由協議的自組網方式實現互連，數據鏈子網采用專用數據鏈組網協議實現互連，衛星子網采用FDMA或TDMA方式實現互連。

在子網之間，可采用基于IP技術的異構網絡互連路由協議實現互連，通過基于抽象鏈路層互連的策略，將各種子網抽象為鏈路，并根據無線信道的傳輸特點，優選無線子網或轉發子網，實現無線子網傳輸或異構網絡的互連。同時，通過異構網絡互連路由協議機制，還可以實現編隊之間的互連互通。

4 路由協議設計

在多自治域系統中，邊界路由設備需要運行內部網關協議和外部網關協議，而在有線網絡中這兩種協議的代表為 OSPF［6］和 BGP［7］。BGP協議有兩個子協議組成，分別是EBGP和IBGP，其中EBGP協議主要在兩個不同自治域系統的自治域邊界路由器之間使用，IBGP則用于同一自治域系統中的自治域邊界路由器之間使用。

由于OSPF和BGP協議是為有線網絡環境設計的，而編隊通信網絡與有線網絡環境存在很大的不同，主要體現在：艦艇平臺之間只能通過無線手段進行互連，可用帶寬較窄；兩個平臺之間不僅僅只有一個無線通信手段，通常情況下具有多種無線通信手段，每種手段可能還包含多個信道；一個艦艇編隊的成員通常小于16個，網絡規模不是很大；艦艇移動速度相對移動速度不是很快，拓撲變化不是很大；多數情況下，兩個艦艇平臺之間可以通過某種無線子網（含子網內多跳）可以直達，即使不能直達，通過兩個子網進行轉發后，基本都可以直達。因此OSPF和BGP等有線路由協議協議并不適用于艦艇編隊戰術無線通信網絡環境。

艦艇編隊戰術無線通信網絡作為一種特殊的Ad hoc網絡，不同于普通商用Ad hoc網絡，其最大區別在于軍事通信網隨時面臨著復雜的電磁干擾對抗和物理摧毀，這要求網絡具有更強的頑存性（自愈能力），更好的隱蔽性（在必要的時候無線電靜默），更快的初始組網速度（快速收斂算法），更高的QoS指標（時延、時延抖動、可用帶寬和分組丟包率等指標），而在經濟性和網絡規模方面的要求相對較弱，在節能控制方面，移動節點可以不考慮能源的限制等。因此海戰場無線通信環境中對自組織網路由協議應該具備比較高的時效性、可靠性和較大的吞吐量，適應海戰場通信環境特點，當前移動 Ad hoc網路由協議如 DSDV［8］、AODV［9］和OLSR［10］等多不是專門針對這一點而設計的。

4.1 WHRP協議原理

針對上述海戰場戰術無線通信網絡特點，我們提出了一種適合艦艇編隊戰術無線通信網絡的異構網絡互連協議 WHRP（Wireless Heterogenous Routing Protocol），如圖3所示。

圖3 編隊異構子網互聯協議

由于在編隊網系統中不是所有的無線子網內都運行無線Ad Hoc網絡路由協議，編隊網中的節點又具備多接口的特點，如果在節點上采用類似有線網絡中運行多套自治域內路由協議的方式來實現，會導致設備功能復雜，擴展性不強、兼容性差等問題，因此需要在節點的無線異構網絡互聯協議和子網內自組網協議之間增加一套接口協議，用于屏蔽各子網內自組網協議的具體細節，只將子網內的路由結果抽象出來，并提供統一接口與無線異構網絡互聯協議通信。

4.2 WHRP協議實現

WHRP協議以AODV為基礎，根據無線信道、多頻多徑、抽象鏈路的海上無線通信傳輸特點進行適應性修改，采用混合式路由協議，結合按需路由和表驅路由的特點。當接收到業務請求后，首先查詢路由表，如果存在可達路由信息，則根據路由表將路由信息反饋給業務請求方；如果不存在可達路由信息，則啟動一次路由發現過程，按照按需路由機制向鄰居平臺發起轉發請求，收到鄰居平臺轉發應答后，再將跨子網路由信息反饋給業務請求方，具體流程如圖4所示。

圖4 跨子網轉發典型流程

發送節點首先向鄰居節點發送路由請求，鄰居節點接收到路由請求后，查詢本地路由表，如存在與目的節點有子網直達路由，則生成路由回復消息。發送節點收到路由回復消息后，建立路由表條目并發送數據。

1）鄰居節點發現和維護

將鄰居節點定義為同一子網內能夠互相通信的節點互為鄰居節點。在網絡開通階段，所有節點均通過子網提供的可達信息來確定鄰居關系。

在網絡運行階段，可從本節點維護的基本傳輸單元映射表中根據可達性和子網忙閑狀態獲取可用的各個子網的傳輸性能參數，使用子網基本傳輸帶寬作為加權因子μi，與可用帶寬Bi、時延ti、可靠性參數qi共同計算出一跳可達的路由Valuei，將一跳可達的路由Valuei集合向自己的鄰居節點擴散，最終使網絡中的每個節點均能獲得全網路由的Valuei集合形成路由表。

2）路由發現

當節點在轉發數據時，如果在路由表中沒有滿足要求的子網能夠直達目的節點，則將啟動一次路由發現過程，發送節點首先選擇符合要求的子網廣播路由請求消息。鄰居節點接收到路由請求后，查詢本地路由表，如有滿足要求的單跳可達路由，則向發送節點發送路由回復消息。發送節點收到路由回復消息后，建立路由表項，發送數據。路由發現流程如圖5所示。

圖5 路由發現流程

此外，為了解決廣播路由信息而造成網絡負荷大的問題，可在進行路由發現時，不在全網絡內進行廣播搜索，而是在限定的子網轉發次數范圍內搜索，并逐步增加子網的轉發次數直至搜索到目標。

5 仿真實驗評估

為了評估HWRP協議的性能，本節使用網絡仿真軟件quelnet作為實驗平臺，分析 WHRP和當前主流無線ad hoc網絡路由協議AODV、OLSR的性能差異。

5.1 仿真環境

仿真實驗中使用的主要參數如表1所示。

表1 仿真參數表

5.2 性能評估指標

性能評估指標采用常用的路由協議的評估標準［10］，包括：

1）分組遞交成功率

為網絡中所有CBR流源節點所發送分組的總數與CBR目標節點最終成功接收到的分組數量的比率。

2）分組傳輸時延

為網絡中所有最終成功到達CBR流目標節點的數據分組的平均傳輸時延。

3）路由協議開銷

仿真中單位仿真時間內傳輸的所有路由控制包的數目。該指標路由開銷可以用來比較不同路由協議的可擴展性、適應網絡擁塞的能力和協議的效率。

5.3 仿真結果分析

仿真過程中使用節點暫停時間來度量網絡拓撲變化情況，節點暫停時間越短，表示網絡拓撲變化越快；節點暫停時間越長，表示網絡拓撲變化越慢；當節點暫時時間接近仿真時間時，表示整個仿真過程中網絡拓撲無變化。

1）分組提交成功率

圖6 分組提交成功率比較

通過圖6可以看到，隨著暫停時間的增加，三種協議的分組投遞率都在增加。當節點暫停時間較少時，OLSR的分組投遞成功率明顯低于AODV，主要原因在于，盡管AODV的路由控制數據包要比OLSR多，但總是可以選擇新鮮路線，而OLSR協議在網絡拓撲不斷發生變化時，會傾向于選擇錯誤的路線，從而使數據包投遞率降低；隨著節點暫停時間的增大，網絡變化趨于緩慢，AODV協議投遞率不如OLSR。而WHRP協議采用表驅和按需結合的方式，分組提交成功率略低于AODV且高于OLSR。

2）分組傳輸時延

圖7 分組傳輸時延比較

圖7中可以看出，反應式路由AODV延遲比先驗式路由OLSR延遲大。證實了先驗式路由協議具有找路延時小的優點。WHRP協議傳輸時延略高于OLSR，這是由于對于跨子網業務，WHRP需要主動發現路由，增加了傳輸時延。

3）路由協議開銷

圖8 路由協議開銷比較

從圖8顯示結果表明，由于AODV總是比OLSR產生更多的路由控制分組，因此在網絡拓撲不斷變化的環境下AODV路由的開銷要明顯大于OLSR。WHRP協議由于無需周期性維護跨子網路由，HELLO報文的大小遠遠小于OLSR，因此路由開銷小于OLSR。

上述仿真結果說明，WHRP協議在路由協議開銷較小的情況下能夠提供較好的網絡性能，同OLSR、AODV相比，更加適合艦艇編隊戰術無線通信網絡環境。

6 結語

本文在深入研究艦艇編隊網絡模型的基礎上，提出了一種適用于艦艇編隊的無線路由協議WHRP，并對協議的有效性進行理論分析和網絡仿真，仿真結果表明同現有主流無線Ad hoc路由協議相比，WHRP具備較好的協議性能，更加適合艦艇編隊網絡復雜多變的環境。

艦艇編隊戰術無線網絡路由協議作為便對網絡互聯的核心技術，在軍事上有著重要的應用價值，本文雖然提出了一種新的路由協議，但受實驗條件、研究時間和個人水平的制約，目前仍存在許多工作有待于進一步開展。以下是對未來研究工作的一些展望：

1）協議的安全問題

目前的WHRP協議的設計主要關注于協議的性能，而這些設計都是建立在網絡中的節點都是可信的以及所有的路由信息都是正確的這樣的假設之上的。考慮到網絡安全是戰術無線通信網絡的一個重要組成部分，如何加強網絡的安全控制，避免非法主機的竊聽，也需要在下一步的工作中深入研究。

2）仿真工作的進一步完善

本文中的仿真實驗均是在一定的模擬場景中進行，在實際應用中相關的仿真結果將會受多種網絡因素的影響，因此仿真數據與真實環境可能存在一定程度的偏差。今后將隨著仿真實驗環境的逐步改善，研究條件成熟的情況下，通過搭建一個無線仿真半實物平臺，對WHRP協議做進一步的測試和完善。

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