互聯網控制器DiffServ模塊對戰術互聯網仿真的影響

張國輝，唐雪鋒，王維鋒，高 昂

(裝甲兵工程學院 信息工程系，北京 100072)

【信息科學與控制工程】

互聯網控制器DiffServ模塊對戰術互聯網仿真的影響

張國輝，唐雪鋒，王維鋒，高 昂

(裝甲兵工程學院 信息工程系，北京 100072)

為了研究互聯網控制器仿真模型的DiffServ模塊對戰術互聯網仿真的影響，分析了區分服務模型的體系結構，構建了包含DiffServ模塊的互聯網控制器仿真模型。在VRNET仿真平臺上構建了不同地形條件下的戰術互聯網仿真網絡，分別統計了包含DiffServ模塊與不包含DiffServ模塊的仿真模型的態勢時延、數據時延、話音時延以及業務成功率。仿真結果表明：包含DiffServ模塊相對于不包含DiffServ模塊的仿真模型的態勢業務量成功率略微提升，態勢時延下降，而數據業務和語音業務成功率有所下降，數據時延和語音時延略微上升。

DiffServ；互聯網控制器；仿真模型;戰術互聯網

戰術互聯網(Tactical Internet，TI)是互聯的無線電臺、計算機硬件和軟件的集合。它是一種基于移動無線自組織網(Mobile ADHOC Network)體系結構的網絡，是數字化部隊建設的基礎設施，為師以下的機動作戰部隊提供無縫通信連接[1]。戰術互聯網仿真系統是以戰術互聯網為對象，建立連接旅、營、連、排各級指揮車的戰術互聯網，主要業務功能是態勢感知信息、指揮控制信息和實時話音業務，可以模擬真實系統環境，實現分布式網絡的數據和話音通信功能。互聯網控制器是戰術互聯網仿真中的關鍵設備，主要功能是解決不同網絡間的數據接入、交換和路由。互聯網控制器(Internet Controller,INC)采用無線分組網技術和路由交換等技術，主要解決各種不同無線數據網絡間以及無線和有線網絡之間的數據接入、交換和路由功能，可以直接和戰術終端進行連接，為網絡用戶提供數據服務。INC適應戰術互聯網仿真中通信設備快速移動、快速組網的需求，同時保證部隊“動中通”的能力，保障指揮單位在高度機動時的通信指揮需求。區分服務(DiffServ)是為IP網絡中的服務品質(Qos)提供保證的技術手段，它能夠為不同Qos要求的應用提供不同的服務優先級，從而提高網絡的服務品質。本文的目的是為了探究戰術互聯網仿真中互聯網控制器仿真模型是否包含DiffServ模塊對網絡仿真結果的影響。

衡量戰術互聯網仿真網絡中通信業務量的參數主要包括態勢時延、話音時延和數據時延。為了分析DiffServ模塊對戰術互聯網仿真中通信業務量的影響，在詳細分析DiffServ體系結構的基礎上，構建了包含DiffServ模塊互聯網控制器仿真模型。在VRNET仿真平臺上搭建戰術互聯網仿真網絡，其中互聯網控制器模型分別采用包含DiffServ模塊與不包含DiffServ模塊的仿真模型。通過運行仿真，分別統計其通信業務量參數，最后對統計結果進行分析。

1 DiffServ體系結構

DiffServ體系結構于1998年由Steven Blake和David L.Black等起草，其基本思想是給數據流分級，即邊界節點根據用戶的流規定和資源預留信息將進入網絡的流分類、整形、聚合為不同的流聚集[2]。這種聚集信息存儲在每個IP包頭的DS標記域中，稱為DS標記(DiffServ CodePoint,DSCP)；內部節點在調度轉發IP包時根據包頭的DSCP選擇提供特定品質的轉發服務，其外特性稱為逐跳轉發行為(Per Hop Behavior,PHB)。網絡邊界對單流做分類聚合與網絡內部對聚集流提供特定品質的調度轉發服務，這兩個過程通過IP包頭內的DSCP協同起來。DS標記域定義為原IPv4包頭的TOS字節或Ipv6包頭的流類型字節的前6位[3]。

DiffServ體系結構如圖1所示，DS域(DiffServ Domain)是由一些相鄰的DS節點構成的集合，遵循統一的服務提供策略并實現一致地PHB組。邊界路由器(Edge Router)主要實現傳輸的分類(Classification)和流量的調節(Conditioning)，保存流的狀態信息，根據預定的流規格對進入/離開DS域的流進行調節，使輸入/輸出流符合預先指定的傳輸調節協議(Traffic Conditioning Agreement,TCA)，并在包頭標記DSCP值，分類歸入行為聚集；核心路由器(Core Router)則實現一組或若干組PHB，PHB是根據DSCP值所選擇的特定調度轉發行為的外特性描述。在DS域內，轉發節點是按照PHB進行的，在每一傳輸段逐段保證PHB行為是DiffServ的最大特點，也是區分服務分段保證端到端Qos的基礎[4]。

圖1 DiffServ體系結構

邊界路由器對流進行分類和調節，并將其歸入某個行為聚集，標記相應的DSCP值，其結構如圖2所示[5]。IP數據包首先通過分類器進行分類，而后測量器對數據流的速率進行測量，并根據測量的結果控制標記器對數據包頭進行DSCP標記；而滿足流量要求的數據包將被丟棄，之后數據包將通過隊列調度機制發送給下一節點。

圖2 邊界路由器結構

DiffServ重新定義了IPv4中的服務類型(Type of Services,TOS)字節和IPv6中的通信類(Traffic Class,TC)字節的前6位，標準化為區分服務碼點(Differentiated Services Code Point,DSCP),如圖3所示。在默認情況下，該值為0，對應盡力而為服務。通過標記不同的DSCP值，選擇相應的轉發處理行為PHB[6]。

P2-P0:IP優先級字段；D：0-常規則地延，1-低時延； T：0-常規吞吐量，1-高吞吐量； R：0-常規可靠性； 1-高可靠性；CU：未用，置0。

圖3 TOS字節

2 互聯網控制器仿真模型

互聯網控制器用于戰術互聯網設備間的組網，它能夠為戰術電臺網內各平臺以及平臺內各通信設備提供路由功能，實現平臺內各設備的綜合集成以及各平臺的網絡一體化。互聯網控制器運行兩種路由協議：RIP和OLSR，其中RIP協議用于有線側(以太網設備)的路由，OLSR用于無線側(電臺)的路由。

互聯網控制器模型是戰術互聯網模型的核心設備模型，負責子網內各個車輛之間的路由建立和維護、工作電臺選擇、設備接入、數據轉發等功能。

VRNET Developer是一種集成網絡仿真平臺，包含大量戰術互聯網的協議模型、設備模型、平臺模型和網絡模型，具備良好的開放性和擴展性，能夠很好地按照需求構建仿真系統，非常適合集成大規模網絡仿真[7]。

在VRNET Developer仿真平臺中構建互聯網控制器仿真模型，其中不包含DiffServ模塊的互聯網控制器模型如圖4所示。

圖4 不包含DiffServ模塊的互聯網控制器

包含DiffServ模塊的互聯網控制器模型如圖5所示。

圖5 包含DiffServ模塊的互聯網控制器

在VRNET Developer仿真平臺中，DiffServ模塊的具體實現代碼如下：

DiffServ模塊：

simple DiffServ

{

parameters:

string queueType = default("");//隊列類型

int linkRate @unit("bps") = default(2Mbps);//連接速率

int queueSize = default(100);//隊列大小

@display("i=block/bucket");

gates:

input upperIn[];//輸入端口

output lowerOut[];//輸出端口

}

仿真模型中各個模塊的功能如表1所示。

表1 仿真模型中各模塊功能

為了方便描述，將不包含DiffServ模塊的互聯網控制器模型稱為粗粒度模型，將包含DiffServ模塊的互聯網控制器模型稱為細粒度模型。

3 仿真實驗

3.1 網絡仿真環境搭建

在VRNET Developer網絡仿真平臺中創建仿真網絡，網絡拓撲結構如圖6所示。戰術互聯網為三層體系結構，通過網關節點相連，作為一個整體進行仿真。第一層為戰術互聯網骨干網(旅營網)，由骨干網節點組成，其中與第二層子網交疊的節點為營指揮所，其余兩個節點為旅指揮所。營指揮所又充當網關節點，既和上級(旅指揮所)進行通信，又與下級(連指揮車)進行通信。骨干網中的每個營指揮所與各自下級的連指揮車組成第二層網絡(營連網)。營連網中的連指揮車同樣充當網關節點，同時與上級(營指揮所)和下級(排指揮車及普通戰斗車輛)進行通信，與其下級組成戰術互聯網的第三層子網(連排網)[8-9]。選擇不同的地形仿真環境，網絡模型結構圖7,圖8所示。

圖6 戰術互聯網拓撲

圖7 平原地形仿真環境

圖8 山區地形仿真環境

在VRNET仿真平臺上構建網絡，運行仿真。網絡地形選擇平原和山區，三層網絡結構設置如表2所示，超短波電臺模型和寬帶電臺模型調制方法設置為BPSK，最大速率分別為32 kbps，128 kbps，帶寬分別為100 kHz、1 000 kHz。旅營網的超短波載頻設置為30 MHz，功率20 W，營連網載頻31 MHz，功率30 W，連排網載頻32 MHz，功率20 W。數據報文大小按一至五級分別設置為300Byte，250Byte，200Byte，150Byte，100Byte。節點發起各等級業務的比率都為20%，流量模型設置為自相似流量模型，語音業務和數據業務通過pareto重尾分布的ON/OFF數據源產生[10]。

表2 戰術互聯網網絡結構

3.2 仿真結果

在不同地形的仿真場景中，分別運行包含粗粒度互聯網控制器模型仿真網絡和細粒度互聯網控制器模型仿真網絡，其態勢時延仿真結果如圖9～圖12所示，數據時延仿真結果如圖13～圖16所示，話音時延仿真結果如圖17～圖20所示，仿真結果如表3、表4所示。

圖9 粗粒度平原地形態勢時延

圖10 細粒度平原地形態勢時延

圖11 粗粒度山區地形態勢時延

圖12 細粒度山區地形態勢時延

圖13 粗粒度平原數據時延

圖14 細粒度平原數據時延

圖15 粗粒度山區數據時延

圖16 細粒度山區數據時延

圖17 粗粒度平原話音時延

圖18 細粒度平原話音時延

圖19 粗粒度山區話音時延

模型粒度運行環境持續時間/s業務成功率通信數據態勢語音態勢時延/s上行下行數據時延/s話音時延/s粗粒度平原10000．97680．99870．94350．97600．23360．23400．48370．0126細粒度平原10000．97390．99940．93640．97980．23460．24020．47570．0122粗粒度山區10000．96090．99720．91120．97140．23400．23530．49020．0127細粒度山區10000．95340．99860．89250．97340．24310．24490．49000．0126

表4 粗細粒度業務相對變化率 %

圖20 細粒度山區話音時延

`

仿真結果表明：不管是山區地形還是平原地形，粗粒度模型與細粒度模型相比，態勢業務量成功率略微提升，態勢時延下降，而數據業務和語音業務成功率有所下降，數據時延和語音時延略微上升。粗粒度模型中去掉了diffServ模塊，缺少了IP層Qos機制，導致數據和語音的傳輸品質下降，同時態勢業務不經過該處理，降低了傳輸的復雜度，時延有所下降，相同仿真時間內態勢業務的成功率有所增加。對于戰術互聯網模型要求高品質的數據和話音業務，則應該選擇細粒度仿真模型。綜合業務及時延的變化，均在+5%誤差范圍內，正確反映了兩種粒度模型在仿真環境中的性能。

4 結束語

DiffServ模塊增加了互聯網控制器仿真模型的精細程度，使得模型變得更加復雜化。由于增加了DiffServ模塊的Qos機制，提高了仿真網絡中的傳輸品質，但同時增加了時延。通過搭建山區和平原兩種地形的仿真環境，對不同分辨率模型中的部分功能在仿真網絡中進行分析，正確反映了互聯網控制器仿真模型在不同仿真環境中對網絡性能帶來的影響。

不同的仿真場景可以根據具體的仿真需求靈活選用粗粒度或細粒度的互聯網控制器仿真模型，對于戰術互聯網仿真的研究有一定的參考價值。

[1] 董超,田暢,倪明放,等.仿真在戰術互聯網效能評估中的應用[J].計算機仿真,2007,24(9):1-4.

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[3] 程浩,史杏榮.基于IEEE802.11e和DiffServ的端到端QoS結構[J].計算機工程,2006,32(18):100-102.

[4] 張丹青,李名世,許建東.DiffServ性能的仿真評價研究[J].系統仿真學報,2004,16(12):2880-2883.

[5] 張蕾,蘇錦海,張永福.OPNET環境下DiffServ機制的仿真[J].計算機工程,2007,33(4):94-96.

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[8] 張占軍,周興乾.基于VRNET Developer的網絡仿真及其應用[J].四川兵工學報,2013,34(2):96-99.

[9] 霍景河,尚世鋒,翟騰飛,等.基于VRNET Developer的戰術通信網仿真分析[J].計算機與現代化,2013(9):130-132.

[10]董保良,周興乾.基于VRNET Developer的戰術互聯網仿真[J].四川兵工學報,2013,34(7):83-87.

[11]陳植林，蔡曉霞，陳紅，等.戰術互聯網子網干擾效果評估[J].火力與指揮控制，2016(4):126-130.

(責任編輯楊繼森)

Influence of Internet Controller DiffServ Module on Tactical Internet Simulation

ZHANG Guo-hui, TANG Xue-feng, WANG Wei-feng, GAO Ang

(Department of Information Engineering, Academy of Armored Forces Engineering of PLA, Beijing 100072, China)

In order to study the influence of the Differentiated Services (DiffServ) module of the Internet controller simulation model on the tactical Internet simulation, this paper analyzed the system structure of the DiffServ module. The Internet controller simulation model with DiffServ module was constructed. Tactical Internet simulation networks under different terrain conditions were constructed on the VRNET simulation platform, respectively. The statistics of the situation time delay, data delay, voice delay and service success rate of the simulation model including the DiffServ module and not including the DiffServ module were analyzed respectively. Compared to not including DiffServ module of the simulation model, the simulation results show that business situation success rate of the simulation model contained DiffServ module has slightly improved, and its state delay decreases, and its data service and voice service success rate declines and the data delay and latency voice slightly rises.

DiffServ; Internet controller; simulation model; tactical Internet

2016-08-25；

2016-09-27

國家自然科學基金(61302110)

張國輝(1980—)，男，博士，講師，主要從事通信網絡方面的研究；唐雪鋒(1991—)，男，碩士研究生，主要從事仿真模型的可信性研究；王維鋒(1969—)，男，博士，教授，碩士生導師，主要從事指揮信息系統仿真；高昂(1988—)，男，碩士研究生，主要從事戰術互聯網仿真方面的研究。

10.11809/scbgxb2017.01.022

張國輝，唐雪鋒，王維鋒，等.互聯網控制器DiffServ模塊對戰術互聯網仿真的影響[J].兵器裝備工程學報，2017(1):91-96.

format:ZHANG Guo-hui, TANG Xue-feng, WANG Wei-feng, et al.Influence of Internet Controller DiffServ Module on Tactical Internet Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):91-96.

TP391.9

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