基于作戰(zhàn)編隊網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)預(yù)測技術(shù)研究

徐達峰， 楊建波

（空軍航空大學(xué) 吉林 長春 130022）

戰(zhàn)術(shù)目標瞄準網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層在設(shè)計過程中，摒棄了以往通常采用的分層路由協(xié)議，而選擇了網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)的IP路由協(xié)議體系[1]。 在對空作戰(zhàn)過程中，作戰(zhàn)編隊出于戰(zhàn)術(shù)設(shè)計和實際戰(zhàn)場態(tài)勢的需求， 必然會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割與合并的情況。 由于編隊快速、機動性強的特性，只有對其動向進行提前預(yù)測與分析，才能更好地處理上述兩種情況[2]。 預(yù)測分配法（Prophet Allocation，PA） 是一種適用于大量MANET 用戶的IP 地址分配技術(shù)，其復(fù)雜性、通信開銷、時延等特性良好，可以處理好因網(wǎng)絡(luò)分割與合并而帶來的地址問題。

1 預(yù)測分配原理

假定通過函數(shù)f（n）可以得到一個序列，用它來表示編隊中每個節(jié)點的狀態(tài)， 令編隊中的其中一個節(jié)點選定為節(jié)點A。 具體分配過程如下：

1）節(jié)點A 隨機選取一個整數(shù)m 作為自己的IP 地址，并使用一個隨機狀態(tài)作為其f（n）的初始值。

2）當節(jié)點B 接近節(jié)點A 并要求節(jié)點A 分發(fā)一個IP 地址時，節(jié)點A 通過f（n）產(chǎn)生一個整數(shù)n 以及狀態(tài)值，并將其發(fā)送給節(jié)點B。

3）節(jié)點B 接收到節(jié)點A 的消息后，將其IP 設(shè)定為n，狀態(tài)也做出相應(yīng)的更新，并將此狀態(tài)作為自己f（n）的初始值。

4）此時節(jié)點A 和節(jié)點B 均可以為其他節(jié)點分配IP 地址和相應(yīng)的狀態(tài)值。

在上述分配過程中，函數(shù)f（n）的設(shè)計決定了分配的IP地址是否具有不重復(fù)性（即有效性）[3]。 在借鑒數(shù)學(xué)計算理論的基礎(chǔ)上，函數(shù)設(shè)f（n）計如下：

作戰(zhàn)編隊節(jié)點建模為 （address，（e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8，e9）），其中（e1，e2，…，e9）數(shù)組表示節(jié)點自身的狀態(tài)；指數(shù)pi（i=1，2， …，9） 分 別 取1～24 的 質(zhì) 數(shù)；IP 地 址address 建 模 為address=（a+2e13e25e37e411e513e617e719e823e9）modrange+1（適用于節(jié)點A 外的其他所有節(jié)點）， 其中a 表示節(jié)點A 的IP 地址值，range 表示網(wǎng)絡(luò)地址總個數(shù)。 在地址分配過程中，節(jié)點更新與產(chǎn)生遵從以下規(guī)則：①原來存在的節(jié)點進行更新時只需將其9 維數(shù)組中標有下劃線的元素加1； ②新產(chǎn)生的節(jié)點狀態(tài)與分配其IP 地址的節(jié)點狀態(tài)的元素相同， 只需將下劃線后移一維即可。

假 定 range 為 256， 初 始 節(jié) 點 A 表 示 為 （0，（0，0，0，0，0，0，0，0）），節(jié)點A 通過函數(shù)f（n）可以得到一個整數(shù)2 和一個新狀態(tài)（1，，0，0，0，0，0，0），節(jié)點A 發(fā)送它們給節(jié)點B，那么節(jié)點A 更新為（0，（，0，0，0，0，0，0）），節(jié)點B 可以表示為（2，（1，，0，0，0，0，0））。 此過程重復(fù)進行，直至產(chǎn)生256 個地址為止。 具體過程見圖1。

2 分配協(xié)議

分配協(xié)議清楚地表明了一個節(jié)點在加入作戰(zhàn)編隊網(wǎng)絡(luò)前后狀態(tài)的變化[4]，過程如圖2 所示。

圖1 節(jié)點更新與產(chǎn)生過程Fig. 1 The process of node updates and produce

圖2 預(yù)測分配協(xié)議Fig. 2 The prediction distribution protocol

1）節(jié)點在成功入網(wǎng)前需要開啟Ad Hoc 模式，對自身的狀態(tài)進行周期性地廣播播報，此時節(jié)點狀態(tài)從退網(wǎng)狀態(tài)切換到等待狀態(tài)。

2）在等待過程中，如果在廣播k 次時間內(nèi)接收到一個分組應(yīng)答，那么節(jié)點就使用該分組提供的IP 地址、狀態(tài)的初始值和網(wǎng)絡(luò)識別碼ID（Network ID）對自身進行配置；如果在廣播k 次的時間內(nèi)未收到任何分組的應(yīng)答，則該節(jié)點自己隨意選擇一個IP 地址、狀態(tài)的初始值和網(wǎng)絡(luò)識別碼ID，完成對自身的配置。

3）節(jié)點重復(fù)廣播HELLO 消息，要求所有接收到其消息的其他節(jié)點回送它們的狀態(tài)，以更新自己的狀態(tài)。

4） 要是節(jié)點收到一條包含多個NID 的HELLO 消息，則啟用本地沖突檢測技術(shù)，待處理完畢后回到配置完成狀態(tài)。

5）節(jié)點需要退出網(wǎng)絡(luò)時，關(guān)閉Ad Hoc 模式即可完成退網(wǎng)，此時返回到退網(wǎng)狀態(tài)。

3 對于編隊分割與合并的處理

作戰(zhàn)編隊會根據(jù)實際空中態(tài)勢數(shù)據(jù)進行適時的編隊分割與合并，達到指定技戰(zhàn)術(shù)的最佳攻擊效果和最小的戰(zhàn)斗力損失，以最小的代價換取最大的勝利[5]。

1）當編隊進行分組作戰(zhàn)時（以分割成2 個網(wǎng)絡(luò)為例說明）， 原來的MANET 網(wǎng)絡(luò)此時需要分割成MANET1 和MANET2 網(wǎng)絡(luò)。 在MANET1 網(wǎng)絡(luò)中任意挑選一個節(jié)點X，通過節(jié)點X 分組前的模型（address，（e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8，e9））來計算該節(jié)點的NID，具體來說即NID=（2e1+3e2+5e3+7e4+11e5+13e6+17e7+19e8+23e9）address； 節(jié)點X 在MANET 網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布一條包含作戰(zhàn)任務(wù)的HELLO 消息， 等待所有接到該作戰(zhàn)任務(wù)消息的節(jié)點的回復(fù)；節(jié)點X 在收到其他節(jié)點回復(fù)后等待一段時間，確定MANET1 網(wǎng)絡(luò)的成員；最后，節(jié)點X 在給MANET1網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點分配地址過程中將其NID 發(fā)送給新節(jié)點，這樣MANET1 網(wǎng)絡(luò)就具有一個統(tǒng)一的NID。 MANET2 網(wǎng)絡(luò)的NID 號的產(chǎn)生過程參考MANET1 網(wǎng)絡(luò)即可。

2）當作戰(zhàn)編隊進行全體作戰(zhàn)時（以2 個網(wǎng)絡(luò)合并為例說明）， 原來的MANET1 和MANET2 網(wǎng)絡(luò)此時需要合并成MANET 網(wǎng)絡(luò)。 在MANET1 網(wǎng)絡(luò)中隨機選取一個節(jié)點P，節(jié)點P 向其周邊發(fā)布一條包含MANET1 網(wǎng)絡(luò)NID 號的HELLO 消息，等待一個鄰近節(jié)點Q（屬于MANET2 網(wǎng)絡(luò)）回復(fù)一個包含MANET2 網(wǎng)絡(luò)NID 號的HELLO 消息； 節(jié)點P 接到節(jié)點Q 的消息后，通過比較2 個NID 號的大小來決定是自己還是節(jié)點Q 放棄自己的現(xiàn)有IP 地址和NID 號； 假設(shè)是節(jié)點P 放棄IP地址和NID 號，那么節(jié)點P 需要向節(jié)點Q 發(fā)送一條請求新的IP 和NID 號的HELLO 消息； 節(jié)點Q 收到節(jié)點P 的請求后，將新的IP 和NID 號傳播給節(jié)點P；節(jié)點P 根據(jù)原來的成員列表， 在給MANET1 網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點分配新的IP 地址時同時發(fā)送一條包含新NID 的HELLO 消息，完成網(wǎng)絡(luò)合并。

4 性能仿真

預(yù)測分配法的性能可以從其通信開銷和時延兩方面來進行綜合評估[6]，通信開銷可以反映出該算法的實用價值，而時延特性可以反映出該算法的時敏特性。

1）假定節(jié)點總數(shù)為256 個，在實驗中引入了經(jīng)典的沖突檢測分配算法（CDA，Confilict-Detection Allocation）作為對比對象。 實驗結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 256 個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的地址分配通信開銷Fig. 3 The address distribution’s communication overhead of 256 nodes in the network

圖4 CDA/PA 的通信開銷比率曲線Fig. 4 The ratio curve of CDA/PA's communication overhead

圖3 的假設(shè)前提是所測試區(qū)域中網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點總數(shù)相同，通過圖中數(shù)據(jù)分析可知， 節(jié)點采用CDA 算法時的分組數(shù)目大約平均是10 500 個， 而采用PA 算法時平均只需分組數(shù)200 個左右即可。隨著網(wǎng)絡(luò)區(qū)域面積的增加，分組數(shù)都呈現(xiàn)降低的走勢。

圖4 中假設(shè)網(wǎng)絡(luò)全部節(jié)點所在的區(qū)域面積相同，通過數(shù)據(jù)可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的增加，CDA/PA 比率曲線會逐漸近似與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目成正比，也就是說，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目的增加，比率會越大，故預(yù)測分配法的通信開銷遠遠低于沖突檢測分配法。

2）對PA 時延特性進行仿真時，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有256 個節(jié)點，也同樣引入經(jīng)典的沖突檢測分配算法作為對比對象。 實驗結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 256 個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的地址分配時延Fig. 5 The address distribution's delay of 256 nodes in the network

圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目對地址分配的影響Fig. 6 The influence of node numbers to address distribution

從圖5 和圖6 中可以看出， 采用CDA 算法的節(jié)點平均需要進行4 次地址檢測的重復(fù)廣播， 而采用PA 算法的節(jié)點只需要1.5 次左右的廣播即可；同時可以發(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量的增加，采用CPA 節(jié)點的時延會逐漸增加，而采用PA節(jié)點的時延與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量無關(guān)。這表明采用PA 算法后，可以大大縮短通信時間，提高通信效率。

5 結(jié)束語

在空中作戰(zhàn)的背景下，設(shè)計了預(yù)測分配算法對作戰(zhàn)編隊網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變更進行了預(yù)測分析，最后通過與經(jīng)典的沖突分配算法進行對比實驗，驗證了預(yù)測分配法的實用性，可以更有效地解決網(wǎng)絡(luò)分割與合并的問題。 基于作戰(zhàn)編隊網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)預(yù)測技術(shù)是戰(zhàn)術(shù)目標瞄準技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建的一個關(guān)鍵技術(shù)，通過對作戰(zhàn)編隊網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)研究，可以更進一步地破解美軍新一代數(shù)據(jù)鏈TTNT 的技術(shù)機理， 為我軍的數(shù)據(jù)鏈路發(fā)展與完善添磚加瓦。

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