地域通信網骨干節點組播協議研究*

胡彪，王建斌，胡衛民

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854； 2.海軍裝備部裝備采購中心 100071)

地域通信網骨干節點組播協議研究*

胡彪1，王建斌1，胡衛民2

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854； 2.海軍裝備部裝備采購中心 100071)

針對指揮控制系統網絡化協同作戰中地域通信網骨干節點信息傳輸需求，設計了一種地域通信網骨干節點網絡拓撲架構，并進行了基于組播協議骨干節點的仿真分析。仿真結果表明，PIM-SM組播協議滿足網絡化協同作戰帶寬需求，對未來在地域通信網架構下構建網絡化協同作戰系統具有應用價值。

網絡化協同作戰；地域通信網骨干節點；組播協議

0 引言

近年來，網絡化協同作戰[1]不斷在軍事通信領域得到廣泛應用，地域通信網作為戰術通信網的主體，承載著大量目標數據的傳輸，具有生存能力強、時效性高、保密性和抗干擾能力強等優點，因此得到了世界各國在網絡化協同作戰應用中的高度重視。美國目前已經形成了集數據、語音、IP(internet protocol)傳輸等綜合業務于一體的信息傳輸網絡架構，對其天、空、地一體化的戰術信息柵格的發展形成了支撐[2]。而國內現有的地域通信網所提供的信道帶寬只滿足上一代武器系統的通信網絡需求，不能滿足網絡化協同作戰的帶寬需求，因此地域通信網骨干節點組播協議的應用研究將對我國新型防空反導武器指揮控制系統[3]的組網技術和網絡化協同作戰指控體系的發展進程起到一定的推動作用。

本文提出了一種網絡化地域通信網體系下骨干節點組播協議的應用方法，并通過仿真驗證了該方面的有效性。

1 地域通信網骨干節點架構

地域通信網[4]是由柵格狀骨干節點和傳輸系統組成的覆蓋戰術(役)區域的通信網，是戰術通信網的主體，為“網絡中心戰”的實施奠定了基礎。具體地講，地域通信網在一定的作戰地域內開設若干個骨干節點和用戶節點，節點之間通過光纖信道、散射信道或微波信道的方式互聯，形成既有直達路由又有迂回路由的通信網絡。

地域通信網無中心組網模式下骨干節點架構如圖1所示。該架構的骨干節點依托于指控節點綜合交換技術為核心的通信設備，通過綜合交換技術實現地域通信網的骨干節點數據傳輸。通過標準的交換接口或其他接口實現各骨干節點在數據傳輸上的互聯互通。地域通信網采用無中心組網模式，所有的作戰單元通過相同網絡組播協議連接在系統中，目標數據通過網絡分發，又可以保證網絡上某個節點損壞時，其他指控節點代替其執行指揮控制能力。

圖1 地域通信網骨干節點分布架構Fig.1 Field communication network backbone node distributed architecture

無中心組網模式[5]的地域通信網骨干節點采用綜合交換技術[6]將IP數據傳輸、話音傳輸以及非IP的數據傳輸在統一的異步傳輸模式[7](asynchronous transfer mode,ATM)交換平臺上進行交換。利用ATM交換技術平臺構成統一的多數據接入綜合交換平臺，具有動態組網接入的能力和很強的抗毀性能力。

2 地域通信網骨干節點組播通信協議

在現有的指揮控制系統地域通信網帶寬條件下，要實時處理網絡化協同作戰的大量鏈路數據十分困難。不同的骨干節點都要處理多作戰單元的目標數據，這樣就會造成數據鏈路的阻塞。為了滿足作戰鏈路對帶寬的需求，在ATM綜合交換機采用IP組播路由協議，把具有協同作戰能力的指控節點加入到相同組播組中，在整個網絡的任何一條鏈路上只傳送單一的數據包。這樣可以大大地節省網絡帶寬，無論有多少個目標地址，都可以收到組播源發出的目標數據。

IP組播[8]介于IP單播和IP廣播通信之間，并且能使主機發送IP信息包到IP網絡中任何一組主機上。IP組播路由協議就是維護組播路由表的動態路由協議。IP組播機制中采用稀疏模式組播協議(protocol-independent multicast-sparse mode,PIM-SM)，能夠有效地節約帶寬，降低網絡負載。

IP組播數據結構如圖2所示。

圖2 IP組播數據結構Fig.2 Architecture of IP multicast data

IP組播是綜合交換機根據互聯的拓撲狀態，動態生成和維護組播樹，從而使IP用戶向多個加入同一IP組的用戶發送信息時網絡開銷達到最優。在綜合交換機上IP組播通過組播管理協議[9](IGMPv2)實現對組播成員的動態管理。IP組播路由協議應用最多的主要是PIM-SM協議和密集模式組播路由協議(protocol-independent multicast-dense mode,PIM-DM)，IP組播協議架構如圖3所示。

圖3 IP組播協議架構Fig.3 Architecture of IP multicast protocol

全數字交換體制的PIM-SM[10]采用匯聚點機制，規定每個組播組必須有一個有效的匯聚點(rendezvous point,RP)路由器，并同時支持共享樹和最短路徑樹(shortest path tree,SPT)這2種分布樹。在仿真模型中使用的PIM-SM方式，組播信息只被發送到需要它的網絡節點。這種發送通過PIM連接完成，其被按每一跳發送到樹的根節點(PIM-SM中的樹的根節點是關于共享樹或第1跳路由器的匯聚點，其中第1跳路由器是指在最短路徑樹情況下直接與組播源相連的路由器)。當本次加入沿著樹上行發送時，沿途的路由器建立組播轉發狀態以便需要的組播信息可以沿著樹下行被轉送回去。

同樣地，當不再需要組播信息時，路由器為了剪枝不需要的信息，沿著樹上行朝根節點發送PIM剪枝消息。當此次PIM剪枝沿著樹向上逐跳傳送時，每一個路由器適當地更新它的轉發狀態。

PIM-DM[11]不依賴于任何單播路由協議，總是假定在子網中有接收者，組播信息從一開始就被擴散到網絡的所有站點，沒有接收者的分支要發送剪枝消息進行剪枝，在已經剪枝的分支上出現新的接收者時可以主動發送嫁接消息來減少加入延遲。

分析比較2種組播路由協議，PIM-DM與PIM-SM相比，沒有周期性的加入消息，只有觸發的嫁接/剪枝消息，同時PIM-DM沒有匯聚RP。而PIM-SM通過SPT，可以得到一個最優分布樹，并且在效率、擴充性等各方面得到了認可。

3 骨干節點組播協議仿真分析

對上面所提出的無中心組網模式地域通信網進行模型化，假定某地域通信網有8個指控節點組成的柵格狀網絡拓撲結構，其網絡模型如圖4所示。

圖4 骨干節點的網絡結構Fig.4 Network structure model of backbone node

圖中數字表示指控節點的序號。對無中心模式地域通信網的柵格拓撲結構，在綜合交換體制平臺上采用PIM-DM和PIM-SM組播協議進行數據傳輸，每個節點用被復線進行數據傳輸，將第7個節點的PC機作為發送端，其余為接收端，在相同傳輸速率下，分別以不同的包長和不同發包速率，仿真每個接收節點的丟包率。對相對指控節點1、相鄰指控節點2、相對指控節點5進行丟包率統計，結果見表1，2。

表1 PIM-DM組播協議的丟包率Table 1 Packet loss rate in PIM-DM multicast protocol

表2 PIM-SM組播協議的丟包率Table 2 Packet loss rate in PIM-SM multicast protocol

通過表1，2中的仿真結果可以看出：

(1) IP組播采用PIM-SM協議進行數據傳輸丟包率低，可以滿足地域通信網數據傳輸的需求；

(2) 在相同有效帶寬內，包長越長，數據丟包率越低；

(3) 組播協議在地域通信網中的恰當應用，可以為以后的地域通信網絡設計提供一種可行性的協議分析。

4 結束語

對地域通信網骨干節點的網絡通信協議研究，是適應信息化戰爭中網絡化協同作戰體系的迫切需求[12]。本文對地域通信網骨干節點下的組播協議進行了研究，設計了一種地域通信網拓撲結構，并結合半實物仿真平臺對2種組播協議進行了分析驗證。采用綜合交換體制的PIM-SM組播協議，可以滿足信息化戰爭對數據傳輸的需求，有助于提升地域通信網網絡化作戰能力。

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Multicast Protocol of Regional Communication Network Backbone Node

HU Biao1，WANG Jian-bin1，HU Wei-min2

(1.Beijing Institute of Electronic System Engineering,Beijing 100854,China;2.Naval Equipment Procurement Center,Beijing 100071,China)

Aiming at the command and control system of network cooperative engagement regional communication network backbone nodes transmission requirements, a regional communication network backbone nodes structure is given. The backbone nodes are completed based on the multicast protocol simulation analysis. The simulation results show that PIM-SM (protocol-independent multicast-dense mode) multicast protocol can meet the requirement of network cooperative engagement regional communication network backbone nodes bandwidth and is useful to build field network cooperative engagement system under regional communication network architecture in the future.

network cooperative engagement；regional communication network backbone node；multicast protocol

2013-12-16；

2014-06-11

有

胡彪(1987-)，男，河南周口人。碩士生。研究方向：指揮系統總體。

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱 E-mail：hubiao0394@126.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.016

TN915.8

A

1009-086X(2015)-03-0089-04