海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)路由策略研究

李 光，張亞生

(1.海參信息通信局，北京 100841；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

開展海洋監(jiān)測，加強(qiáng)海洋資源管理，對(duì)沿海國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防安全、環(huán)境保護(hù)和減災(zāi)防災(zāi)工作具有十分重要的意義。海洋監(jiān)測需要在各種檢測平臺(tái)與各級(jí)海洋信息處理中心之間構(gòu)建海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，以支持多平臺(tái)多類海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入和交換，完成立體監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸、集成與管理〔1〕。

海洋監(jiān)測綜合利用衛(wèi)星、升空平臺(tái)、短波/超短波組網(wǎng)、地面網(wǎng)絡(luò)等多種傳輸手段，構(gòu)建智能化海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，由于各類傳輸手段的傳輸能力、多址方式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不盡相同，海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)不同異構(gòu)傳輸網(wǎng)絡(luò)之間需要設(shè)計(jì)高效統(tǒng)一的異構(gòu)互連路由策略，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間大量數(shù)據(jù)快速、可靠的融合傳輸。

1 海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

按照各種檢測平臺(tái)與各級(jí)海洋信息處理中心之間的信息傳輸關(guān)系，各類監(jiān)測平臺(tái)依據(jù)配屬關(guān)系向不同海洋信息處理中心上傳監(jiān)測信息，各級(jí)海洋信息處理中心構(gòu)成全連通網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的共享〔2〕。

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)一方面要利用不同的傳輸手段支持陸基和海基的不同監(jiān)測臺(tái)站到處理中心的信息接入，另一方面要使用地面寬帶網(wǎng)絡(luò)保障各級(jí)處理中心之間的信息共享。傳輸手段包括衛(wèi)星通信、升空平臺(tái)中繼通信、超短波/短波無線通信、水下通信以及地面寬帶網(wǎng)絡(luò)等，通過天、空、海、潛多層次信息鏈路構(gòu)建海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)異構(gòu)傳輸網(wǎng)絡(luò)，支持不同類型信息的可靠傳輸。海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸體系如圖1所示。

圖1 海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)傳輸體系示意圖

2 IP路由策略及適應(yīng)性分析

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)在使用各種傳輸手段的基礎(chǔ)上，采用IP協(xié)議體系開展不同手段之間的異構(gòu)互連。其中，IP路由策略用來實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性。在海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)中，考慮采用以下三種IP路由策略：

① 全網(wǎng)預(yù)先規(guī)劃選路——靜態(tài)路由

小型、簡單的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的為靜態(tài)路由協(xié)議，由系統(tǒng)管理員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)事先設(shè)置好，除非管理員干預(yù)，否則靜態(tài)路由不會(huì)發(fā)生變化。靜態(tài)路由優(yōu)點(diǎn)是具有非常高的可靠性，缺點(diǎn)是缺乏靈活性，適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單且拓?fù)潢P(guān)系確定的場景。但海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸異構(gòu)、站點(diǎn)較多，需要對(duì)大量站點(diǎn)的路由進(jìn)行管理，再由管理員依次設(shè)置各站的靜態(tài)路由表，變得越來越困難，甚至不可實(shí)現(xiàn)。

② 應(yīng)用系統(tǒng)自主選路——策略路由

當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)具備獲取信道狀態(tài)并據(jù)此進(jìn)行選路決策的能力時(shí)，可以使用策略路由。在這種情況下，應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)路由選擇，并對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)包填加路由指示標(biāo)記；網(wǎng)絡(luò)中的接入及路由設(shè)備負(fù)責(zé)根據(jù)路由指示標(biāo)記進(jìn)行選路轉(zhuǎn)發(fā)。需要特別指出的是，地面IP網(wǎng)絡(luò)路由器一般只能根據(jù)IP頭中的各個(gè)字段進(jìn)行路由選路，而為滿足應(yīng)用系統(tǒng)的特殊要求，基于鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層標(biāo)記的高效路由選擇方法需要進(jìn)一步研究。目前，應(yīng)用系統(tǒng)自主選路無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，一般根據(jù)特定任務(wù)制定對(duì)應(yīng)的策略，不是本文研究重點(diǎn)。

③ 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自主選路——?jiǎng)討B(tài)路由

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間的通信拓?fù)潢P(guān)系處于頻繁變化時(shí)，可基于專用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議進(jìn)行路由選擇。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議在地面網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用成熟〔3〕，因此，在海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中使用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，利用收到的路由信息更新各節(jié)點(diǎn)路由表，達(dá)到實(shí)時(shí)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。本文重點(diǎn)針對(duì)海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)中無線信道的長延時(shí)和有限信道帶寬特性，選擇合適的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。

3 IP路由協(xié)議分析

海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)IP動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的評(píng)價(jià)、選擇標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

① 可擴(kuò)展性，當(dāng)運(yùn)行該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致路由協(xié)議的性能快速下降，從而影響網(wǎng)絡(luò)性能；

② 高效性，路由協(xié)議應(yīng)具有較小的協(xié)議負(fù)載，包括占用的鏈路帶寬、CPU計(jì)算負(fù)載、內(nèi)存；

③ 健壯性，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)。路由協(xié)議應(yīng)用避免或減少路由抖動(dòng)〔4〕。

下面分析單播路由協(xié)議RIP、OSPF、EIGRP在海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的適應(yīng)性，并進(jìn)行仿真分析。

3.1 RIP路由協(xié)議

RIP路由協(xié)議基于距離矢量算法計(jì)算路由，存在跳數(shù)限制、路由選擇環(huán)路、收斂慢等問題，但是在海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，路由器間只有一跳或兩跳的距離，不存在冗余傳輸路徑，不會(huì)出現(xiàn)路由環(huán)路，因此可以避免RIP協(xié)議固有的問題，能夠充分利用RIP路由協(xié)議開銷小的優(yōu)勢，還可采用水平分割技術(shù)進(jìn)一步降低帶寬開銷〔5〕。

3.2 OSPF路由協(xié)議

OSPF路由協(xié)議都屬于鏈路狀態(tài)路由選擇協(xié)議，均采用最短路徑優(yōu)先SPF算法來構(gòu)建路由表。OSPF與IP結(jié)合密切，被廣泛應(yīng)用于各種企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。但OSPF路由協(xié)議在海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，其Hello機(jī)制和鏈路狀態(tài)泛洪機(jī)制導(dǎo)致路由開銷過大，浪費(fèi)寶貴的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶寬〔6〕。

3.3 EIGRP路由協(xié)議

EIGRP路由協(xié)議是結(jié)合距離矢量算法和鏈路狀態(tài)算法優(yōu)點(diǎn)的平衡混合型路由協(xié)議。該協(xié)議具有復(fù)合度量、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)。在海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蚵酚勺兓瘯r(shí)，EIGRP協(xié)議擴(kuò)散更新流程在海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中起不到實(shí)質(zhì)作用，且占用大量帶寬〔7〕。

4 IP路由協(xié)議仿真驗(yàn)證

OPNET是目前業(yè)界領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，可以進(jìn)行各種路由協(xié)議的仿真[8]。海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)使用的傳輸手段包括衛(wèi)星通信、升空平臺(tái)中繼通信、超短波/短波無線通信、水下通信以及地面寬帶網(wǎng)絡(luò)等，本文以衛(wèi)星通信為例，利用OPNET仿真軟件搭建海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真場景，對(duì)RIP、OSPF、EIGRP路由協(xié)議進(jìn)行仿真與適應(yīng)性分析。

基于標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議的海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)仿真場景，由1個(gè)透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、2個(gè)一級(jí)管理中心節(jié)點(diǎn)和40個(gè)二級(jí)管理中心節(jié)點(diǎn)組成，如圖2所示。所有一級(jí)或二級(jí)管理中心均通過透明衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)相連，組成一個(gè)基于廣播型鏈路的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)〔9〕。每個(gè)管理中心都有一條路由條目(192.1.x.0/24)，RIP路由協(xié)議打開水平分割功能，OSPF路由協(xié)議端口類型配置為廣播型網(wǎng)絡(luò)，EIGRP路由協(xié)議采用默認(rèn)配置。

圖2 基于標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議的海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)仿真場景

4.1 開銷對(duì)比

圖3、圖4為RIP、OSPF和EIGRP協(xié)議的開銷對(duì)比。OSPF協(xié)議在仿真初期的一段時(shí)間內(nèi)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中路由信息交換的數(shù)據(jù)量非常大(協(xié)議開銷約為750 kbps)，當(dāng)OSPF達(dá)到收斂狀態(tài)之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信趨于穩(wěn)定，但仍維持在一個(gè)較高水平(協(xié)議開銷約為30 kbps)；另外，EIGRP協(xié)議開銷約為10 kbps，RIP協(xié)議的路由開銷約為1 kbps。因此，協(xié)議開銷大小為：RIP

另外，在仿真開始9 min時(shí)，某個(gè)管理中心重新加入海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(模擬路由震蕩)，OSPF協(xié)議和EIGRP協(xié)議均會(huì)有一個(gè)明顯的突發(fā)流量，而RIP的路由協(xié)議開銷曲線沒有明顯的變化。

圖3 RIP協(xié)議OSPF協(xié)議開銷對(duì)比

圖4 RIP協(xié)議與EIGRP協(xié)議開銷對(duì)比

4.2 收斂時(shí)間對(duì)比

圖5為RIP協(xié)議與EIGRP協(xié)議收斂時(shí)間對(duì)比。仿真10 min時(shí)，某個(gè)管理中心退出海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；仿真13 min時(shí)，該管理中心重新加入海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，用來模擬路由震蕩，對(duì)比RIP、EIGRP路由協(xié)議在該衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議收斂時(shí)間。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一條路由信息失效時(shí)，EIGRP路由協(xié)議僅需10幾秒就完成收斂，RIP協(xié)議則需要100多秒才完成收斂；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中新增一條路由信息時(shí)，EIGRP和RIP協(xié)議的收斂時(shí)間差別不大。由于在基于透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)中很少存在備份路由，因此，EIGRP協(xié)議在收斂速度上的優(yōu)勢(某條路由失效后，快速找到備份路由)并不能充分發(fā)揮作用。

圖5 RIP協(xié)議與EIGRP協(xié)議收斂時(shí)間對(duì)比

由上述仿真結(jié)果和適應(yīng)性分析可知，在該仿真場景中，OSPF、EIGRP協(xié)議的路由開銷過大，且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，路由協(xié)議開銷會(huì)成指數(shù)性增長，對(duì)路由器的處理能力、存儲(chǔ)能力，以及衛(wèi)星帶寬資源要求較高。而RIP協(xié)議采用水平分割技術(shù)后，只將與自己直接相連的網(wǎng)絡(luò)的路由信息廣播出去，協(xié)議開銷要小得多，且對(duì)路由器的性能要求不高，因此，更加適合在本文所研究的場景中應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文對(duì)海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的路由策略進(jìn)行了研究，主要對(duì)IP路由協(xié)議自主選路的路由策略進(jìn)行適應(yīng)性分析和仿真驗(yàn)證，對(duì)比了RIP、OSPF、EIGRP路由協(xié)議的協(xié)議開銷和收斂時(shí)間，提出將RIP協(xié)議作為海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的IP路由協(xié)議。該協(xié)議能夠支持高效統(tǒng)一的異構(gòu)互連，降低網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議開銷，提高網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)帶寬利用率，更加適用于海洋監(jiān)測異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

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