一種適用于高空平臺通信網的抗毀路由協議

倪淑燕， 李春月， 廖育榮， 陳 帥

(裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

一種適用于高空平臺通信網的抗毀路由協議

倪淑燕， 李春月， 廖育榮， 陳 帥

(裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

為了提升高空平臺(HAP)通信系統的抗毀性，同時充分利用HAP網絡準動態的特點，在原目的節點序列距離矢量(DSDV)路由協議基礎上，通過設計局部備份路由和改進路由維護策略，提出了一種適用于HAP網絡的簡單可靠的路由協議。該協議通過設計雙候選下一跳提高系統抗毀性，同時在路由維護時不廣播路由分組，而采用短握手信息檢測鏈路有效性，以此降低鏈路開銷。最后，利用網絡仿真軟件OPNET構建了路由協議仿真模型，驗證了協議的有效性。

高空平臺；目的節點序列距離矢量路由協議；雙候選；抗毀性；鏈路開銷

與衛星通信相比，臨近空間飛行器作為高空中繼平臺用于通信，傳播距離短、傳播損耗少、延時小、發射功率低，有利于實現寬帶傳輸和通信終端的小型化；并且其機動靈活，可快速部署，迅速建立應急通信網絡。與戰術通信電臺相比，通信距離遠、覆蓋范圍大、受地形地域限制小，非常適合于區域通信網絡[1]。為了滿足區域戰術通信需求，可以利用多個平流層飛艇組網構建應急區域戰術通信網[2-3]，為各武器平臺和單兵共享戰場態勢，形成網絡中心戰體系提供技術支撐。

在戰場環境下，HAP節點存在損傷和被摧毀的危險。節點毀傷帶來的一個重要問題就是路由失效。為了應對節點毀傷時的路由失效，需要良好的抗毀路由協議。傳統路由可分為動態路由和靜態路由2種。雖然大多數情況下HAP處在靜止狀態，但是也可能會根據需求作一定的拓撲調整；并且當平臺毀傷時，會使HAP網絡拓撲發生無法預料的變化，因此并不適合采用靜態路由。動態路由可以分為先應式路由和反應式路由，HAP節點承擔的是覆蓋區內用戶的中繼轉發任務，這與自組網中用戶節點區別很大，節點一直處于繁忙狀態，所以更適于采用先應式動態路由。DSDV路由協議是一種常用的先應式路由協議[4]，主要用于網絡規模不是很大，網絡拓撲變化相對不是很頻繁的網絡環境，比較適用于準動態的HAP通信網絡。但是，采用常規的DSDV算法抗毀性較差，且會產生許多不必要的鏈路開銷[5]，浪費鏈路資源。為了提高HAP通信系統的抗毀性，同時充分利用HAP網絡結構準動態的特點，本文在DSDV協議的基礎上進行了改進，提出了一種適用于HAP通信網的抗毀路由協議。

1 HAP的網絡模型

HAP通信網絡的拓撲結構如圖1所示。該網絡由HAP中繼節點和地面用戶節點組成，平臺間采用通過平臺間鏈路(Inter Platform Link，IPL)實現互聯互通，并具備路由功能；每個平臺利用多波束天線形成蜂窩小區覆蓋地面用戶，用戶節點間的通信完全依賴平臺中繼。

圖1 HAP通信網絡拓撲結構

由于地球視線的遮擋，每個艇只對其鄰居飛艇可見，因此網絡中HAP節點連通情況如圖2所示。

圖2 HAP網絡節點拓撲連接情況

HAP平臺作為空天信息網的中繼節點，在大部分時間內處于準靜止狀態，但根據作戰區域的變化，其網絡拓撲非完全固定，而是可以根據需求靈活改變，是一種準動態拓撲結構。在節點毀傷時，網絡拓撲還會發生突發性變化，這與移動通信網、自組織網絡[6]和衛星通信網都不同。根據HAP網絡拓撲的特點、抗毀需求以及對傳統路由協議的分析，本文提出一種基于DSDV的雙候選抗毀(DSDV- Double Candidate，DSDV-DC)路由協議。

2 DSDV-DC路由協議

2.1 基本思想

DSDV-DC路由協議采用DSDV協議的表驅動路由方式，每個節點維護一張包含到達其他所有目的節點的路由表[7]。如圖3所示為DSDV-DC協議的實現流程圖。在路由初始建立階段，各節點按一定的方式周期性的向鄰居節點廣播最新的網絡狀態信息，周圍點收到更新信息后及時更新自己的路由表并廣播出去，通過這種方式保證整個網絡中路由信息的一致性、準確性和及時性[8]。

圖3 DSDV-DC協議實現流程

由于HAP網絡節點的拓撲結構在大部分時間內處于穩定狀態，初始路由建立之后便不會發生改變，只在應用區域需要調整或節點毀傷時發生變化，是一種慢變的拓撲結構。如果頻繁更新路由表，會浪費鏈路資源。因此在初始路由建立以后，節點不廣播路由信息，而只向鄰居節點周期性的廣播Hello包，Hello包中的內容僅包含本地節點地址，無具體路由信息，用來驗證相鄰節點的連通性。信息的廣播采用時間和事件驅動方式，在路由建立后以大周期在鄰居節點間廣播Hello包，當發現拓撲結構變化時，變為小周期廣播路由信息，以迅速進行路由恢復。

同時,為了提高網絡的抗毀性，DSDV-DC協議中節點路由表中的下一跳采用雙候選方式。當前節點發現到達下一跳節點的鏈路無效時，啟用候選下一跳節點進行路由。如此，提供了源節點到目的節點的2條路徑，在主路徑由于某節點毀傷而失效的情況下，通過候選下一跳節點還能夠繼續通信。由于備份路徑在網絡拓撲變化后并不一定是最優路徑，因此在保證通信的同時對主路徑進行恢復。其中，主路徑的選擇與DSDV協議相同，以全局最小跳數確定最優路由；而備份路徑實際上采用的是局部最小跳數準則，即在某節點毀傷后，根據毀傷節點的前一點到目的節點的最小跳數選擇路徑。

2.2 算法實現

下面以網絡中任一節點i為例，說明路由尋徑的建立和刷新實現過程。基于前面設定的HAP網絡平臺節點模型，DSDV-DC算法的實現步驟如下。

_2.2.1 步驟一：路由表建立、更新

當網絡建立或網絡中有新的節點加入時，節點便通過廣播的方式通知其他節點，收到廣播的節點便會把相應的路由信息添加到路由表中，完成對自己路由表的更新過程，然后發送新建立的路由表。一段時間后，網絡中的每個節點便都建立了一個完整的路由表，表中包含了所有可達節點的路由。路由表中包含的主要信息包括目的節點地址、下一跳地址、鄰接標志、路由跳數、候選下一跳地址、目的節點序列號、路由建立時間等。

節點i的初始狀態如表1所示。節點新加入時，路由表中只有一條信息，即到自身節點的路徑，其中的metric值即最小路由跳數同原始DSDV路由協議相同，采用Bellman-Ford算法得到[9]。鄰接標志的配置規則為：下一跳節點無丟失或損毀，Hello包可以正常到達時置1，否則置-1。初始時鄰接標志置1，Ф為無候選下一跳節點；DSDV-DC的目的節點序列號配置方式與DSDV協議相同，主要在路由表更新建立的過程中，起避免路由環路的作用。

表1 節點i初始路由表

路由表初始建立過程中，經過2個更新周期后，節點i的路由表信息如表2所示。在DSDV-DC協議中，當跳數>1時，開始為目的節點配置候選下一跳地址。由于節點i的所有下一跳節點的本地路由表中均有到目的節點的路由，所以從中選取除上一跳和下一跳節點外metric值最小的節點作為候選下一跳節點。

表2 節點i 2次更新后路由表

按照上述更新方式，經過若干個廣播更新周期之后，便在整個HAP網絡中建立起了一套完整的、基于最小跳數的雙候選抗毀路由協議。

_2.2.2 步驟二：路由維護

在DSDV-DC抗毀路由協議中，主要通過相鄰節點間廣播Hello包維護路由。基于HAP網絡平臺的準靜態特性，在全網路由建立完成之后，并不立即進行周期性的路由表廣播更新，而是鄰接標志為1的相鄰節點之間進行一種周期性的Hello包信息交互；全網路由建立之后，在信息傳輸的同時節點i開始向鄰居節點廣播自己的Hello包，同時周期性的收到鄰居節點的Hello包；設定合適的時間域，每次節點i收到鄰居節點的Hello包時，僅更新該鄰居節點的插入時間，只要在設定的時間域內收到鄰居節點的信息，鄰接標志位就置1，路由可用。與原始DSDV協議相比，大大節省了因為路由更新而造成的鏈路開銷。

如果節點i的鄰居節點有發生損毀，如圖4假設為節點②損毀，此時節點i不能收到節點②的廣播分組，節點i則將所有下一跳節點為節點②的路由的鄰接標志置為-1，表示該條路由信息的首選下一跳節點無效，信息傳輸自動轉入候選下一跳地址，即啟用局部最優候選路徑維持網絡正常通信，同時觸發DSDV-DC路由協議的事件觸發機制，所有節點以小周期播放更新本地路由信息，直到建立起節點毀傷情況下的全網最優路由。然后整個節點②毀傷后的準靜態網絡通過新的全網最優路由來傳輸信息。

圖4 節點損毀示意圖

局部最優路徑，即候選下一跳節點從節點i的除損毀節點外的所有鄰居節點中選取，如表3所示。節點②損毀前，到目的節點③的某條路由的最后2跳為i—②—③；此時由節點i到節點③的候選下一跳節點可選擇節點④和節點⑤；比較2節點本地路由表中到達節點③的metric值，選取跳數較小的為節點i到達節點③的候選下一跳節點。

表3 節點毀傷情況下節點i路由表

路由重建過程中，某節點接收到鄰居節點廣播分組時，確認是新信息，將其路由跳數加1后再發送，該過程一直持續到每個節點都收到該分組的拷貝。新路由信息的廣播信息中包含目標節點地址，到每個節點的跳數、接收新的序列號，以及獨有的廣播序列號。當鄰居節點收到包含新路由信息表的廣播信息后，先比較源節點、目的節點路由序列號的大小，具有更大序列號的路由信息總是優先接收，而目的節點序列號小的路由被淘汰。如果2個更新分組有相同的序列號，選擇跳數較小的分組，而使路徑最優。

3 仿真分析

利用OPNET軟件對DSDV-DC路由協議進行仿真。首先建立HAP網絡模型，對路由建立、業務產生、數據交互等過程進行仿真，并對路由維護開銷、網絡吞吐量等參數進行統計，分析比較DSDV-DC路由協議的性能。設中繼節點數目固定為30個，節點間距離280 km，設定每個節點的最大單跳傳輸距離為300 km。

3.1 統計路由表項內容

在面向對象數據庫(ODB)模式下，輸入lstop rt可以打印路由表，網絡中一共30個節點，以0號節點為例，打印出仿真結果，如圖5所示。由于窗口限制，僅顯示出來路由表的上半部分。備選下一跳為-1，表示該目的節點無局部備份路徑。

圖5 初始路由表仿真結果(部分)

3.2路由開銷統計

仿真時間為10 min，從30 s后網絡中開始產生數據業務。此時初始路由建立完成，網絡中僅有數據分組和相鄰節點間的Hello分組。如圖6所示，正常數據傳輸情況下，藍線表示DSDV-DC協議的路由維護網絡開銷，紅線表示原DSDV協議路由維護產生的網絡開銷。由于DSDV-DC協議在路由維護過程中不產生路由分組，而DSDV協議周期性進行路由分組廣播，所以通過路由開銷的統計與對比，可以看出DSDV-DC協議通過改進傳統協議的維護策略，較明顯的節省了路由維護階段的鏈路開銷，為HAP網絡平臺的數據傳輸節約了鏈路資源。

圖6 DSDV-DC協議與原DSDV協議網絡開銷對比

設定2號節點在120 s時死亡，與無節點死亡情況下網絡開銷的對比，如圖7 所示。紅線指有節點死亡，路由開始重建時的鏈路開銷，藍線表示正常通信條件下的鏈路開銷。節點死亡時，網絡進行路由重建，開始廣播較大的路由分組，增大了網絡開銷。

圖7 節點死亡時網絡開銷對比

通過路由開銷的統計與對比，可以看出DSDV-DC協議通過改進傳統協議的維護策略較明顯的節省了路由維護階段的鏈路開銷，為HAP網絡平臺的數據傳輸節約了鏈路資源。

3.3 網絡吞吐量統計

吞吐量指網絡中所有節點單位時間內，成功接收到的數據分組的比特數。設置4個節點在50 s時死亡，DSDV路由協議路由表中以此4個節點為下一跳的數據分組不知道它們已經失效，繼而產生丟包；DSDV-DC協議通過Hello分組可以維護一個鄰居節點表，可在檢測到下一跳節點失效后，從鄰居節點中選擇一個鄰居作為下一跳，從而降低丟包率。

圖8 網絡吞吐量統計

從圖8中可以看出，在50 s節點死亡一直到120 s路由表進行重構的時間段內，DSDV-DC協議的吞吐量性能要優于DSDV協議。圖9為仿真一個節點損毀時網絡的吞吐量變化。通過與圖8的對比，可以看出DSDV-DC路由協議局部備份路徑在多個節點毀傷情況下作用較明顯。

圖9 網絡吞吐量(只有2號節點死亡)

4 結 論

DSDV-DC路由協議基本滿足了HAP網絡的抗毀性能需求，該算法只向節點的一跳鄰居節點交互內容簡單的Hello包，用來維護準靜態的HAP網絡中節點間鏈路的連通性，克服了原DSDV算法周期性向全網廣播路由表全部信息產生的高額鏈路開銷。在DSDV-DC協議中，路由維護而產生的廣播分組的數量相比DSDV協議大大減少。同時，由于局部備份路徑的選取，大大增加了網絡的抗毀性能。在有節點毀傷情況下，通過候選下一跳節點暫時性的承擔毀傷節點的業務，使得信息交互不會被立即停止。DSDV-DC路由協議在HAP網絡平臺中性能優于DSDV路由協議，且簡單易實現，具有較好的抗毀性和較低的鏈路開銷。

References)

[1]張海林,周林,馬驍，等.臨近空間飛行器發展現狀及軍事應用研究[J].飛航導彈,2014(7):3-7.

[2]Adaptive joint C4ISR node[J].Forecast International,2011,11(9):1-5.

[3]Common link integration processing[M].San Diego:Northrop Grumman Information Systems,2012：155-160.

[4]PERKINS C E,BHAGWAT P.Highly dynamic destination sequenced distance vector routing(DSDV) for mobile computers[J].Acm Sigcomm Computer Communication Review,1994,24(4):234 -244.

[5]王婷.Ad Hoc 路由協議性能評價[J].微電子學與計算機， 2008,25(4):112-115.

[7]陳林星，曾曦，曹毅.移動Ad Hoc:自組織分組無線網絡技術[M].北京：電子工業出版社，2006:7-9;48-51.

[8]PAN J Y,SOH C B,GUNAWAN E.Iterative soft paralle1 interference cancellation for convo1utiona1-coded DS-CDMA system[J].Wire1ess Personal Communications,2003,25(3):177 - 186.

[9]HEDRICK C.RFC 1058:routing information protocol (RIP) [EB/OL].(1998-11-10)[2015-10-25].http://sunsite.edu.cn.

(編輯：李江濤)

A Survivable Routing Protocol Suitable for HAP Cyberspace

NI Shuyan， LI Chunyue， LIAO Yurong， CHEN Shuai

(Department of Optical and Electronic Equipmen, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

To improve the survivability of high altitude platform (HAP) communication system while making full use of the quasi-dynamic characteristics of HAP network, based on the original Destination Sequenced Distance Vector (DSDV) routing protocol, by designing local backup route and improving route maintenance strategy, the paper proposes a simple and reliable routing protocol for HAP network. This protocol improves the survivability of the system by designing a dual-candidate for next-hop and tests link validity using short handshake message rather than broadcasting router packet to reduce the link cost. In the end, the paper builds a simulation model of the routing protocol with OPNET to prove the validity of the protocol.

high altitude platform(HAP); destination sequenced distance vector(DSDV) routing protocol; double-candidate；invulnerable; link spending

2016-08-23

國家“863”計劃資助項目

倪淑燕(1981—)，女，講師，博士，主要研究方向為空間信息傳輸技術。daninini@163.com

TN925+.3

2095-3828(2017)01-0081-05

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.016