1 引 言

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的。對于艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其復(fù)雜且不斷更新的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和技術(shù)使作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計人員沒有足夠的精力徹底掌握，與網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的性能指標(biāo)又只能通過定性分析得到，作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計沒有可靠、有效的驗證工具。研究艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，選用OPNET系列的通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件Modeler[1]建立艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的模型，通過對作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)信息流的仿真得到有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，指導(dǎo)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，可以更準(zhǔn)確地看出艦艇在復(fù)雜的信息環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出的特性，從而可以揚(yáng)長避短，對作戰(zhàn)系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高艦艇的作戰(zhàn)效能。

2 數(shù)據(jù)網(wǎng)仿真

仿真主要針對新型艦艇網(wǎng)絡(luò)采用的虛擬網(wǎng)和IP組播技術(shù)，應(yīng)用OPNET系列的通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件Modeler對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)信息流進(jìn)行仿真，得出有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計優(yōu)化提供參考和建議[2-4]。

考慮一種艦艇采用虛擬網(wǎng)和IP組播技術(shù)，有眾多的節(jié)點，信息流關(guān)系復(fù)雜，需仿真如下內(nèi)容：

1) 作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及整個網(wǎng)絡(luò)的行為特征和技術(shù)體制；

2) 整個網(wǎng)絡(luò)正常工作時，所有節(jié)點的行為特征、節(jié)點與節(jié)點之間的信息交互關(guān)系；

3) 對整個網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并對性能參數(shù)進(jìn)行分析，給出相應(yīng)的合理建議。

根據(jù)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)的特點和仿真的目的，在仿真中采用3層建模機(jī)制，即網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點層和進(jìn)程層的機(jī)制；應(yīng)用動態(tài)離散事件和有限狀態(tài)機(jī)的方法對網(wǎng)絡(luò)建模。一個網(wǎng)絡(luò)的仿真涉及到網(wǎng)絡(luò)模型和網(wǎng)絡(luò)流量兩部分建模內(nèi)容。要仿真艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)，需建立網(wǎng)絡(luò)模型(包括協(xié)議模型、節(jié)點模型、連接設(shè)備模型)和網(wǎng)絡(luò)流量模型(包括節(jié)點的對外接口模型、節(jié)點的交互行為模型、信息流模型)。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)仿真需求對網(wǎng)絡(luò)模型和網(wǎng)絡(luò)流量兩部分進(jìn)行了分解，具體的仿真需求如下[5]：

1) 物理層建模(100 BaseT、10 BaseT)；

2) 數(shù)據(jù)鏈路層建模(IEEE802.3、生成樹橋接協(xié)議、VLAN模型)；

3) 網(wǎng)絡(luò)層建模(IP路由協(xié)議、IP組播協(xié)議)；

4) 傳輸層建模(三層交換機(jī))；

5) 應(yīng)用層建模(信息流、節(jié)點接口、節(jié)點行為)。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ徒?/h2>

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

考慮一種艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6-8]，如圖1所示。假定艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用由兩個網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成的雙冗余結(jié)構(gòu)，各節(jié)點以雙冗余方式采用雙卡分別與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)2互聯(lián)，兩網(wǎng)卡配置成同一個IP地址，形成了互為備用的主、備通道。在同一時刻，各節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1互聯(lián)的網(wǎng)卡處于運(yùn)行狀態(tài)，而與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)2互聯(lián)的網(wǎng)卡處于備用狀態(tài)，以提高艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和抗毀性。圖1中實線表示主通道，虛線表示備份通道。其中，節(jié)點si(1,2,…,S)表示艦艇上的S個傳感器。節(jié)點ci(1,2,…，C)表示艦艇上的C個通信設(shè)備。節(jié)點ai(1,2,…，A)表示艦艇上的A個作戰(zhàn)指揮臺位。節(jié)點bi(1,2,…，B)表示艦艇上的B個武器控制臺位，包括反艦導(dǎo)彈、防空導(dǎo)彈、反潛導(dǎo)彈等武器控制臺位。gi(i=1,2,…,G)表示艦艇上的G個綜合導(dǎo)航設(shè)備。這些節(jié)點大多通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實現(xiàn)節(jié)點間的連接。但也有少量節(jié)點可以不通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)而直接連接。不失一般性，這里假設(shè)如下節(jié)點實現(xiàn)直接連接：傳感器s1與作戰(zhàn)指揮臺aA之間、傳感器s2與作戰(zhàn)指揮臺aA之間、通信設(shè)備c1與c2之間、武器控制臺b1與綜合導(dǎo)航設(shè)備g1之間等。

圖1 一種艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為多個子系統(tǒng)組成的局域網(wǎng)系統(tǒng)。擬仿真的網(wǎng)絡(luò)共包含n個設(shè)備(節(jié)點)，如雷達(dá)、指揮臺、局域網(wǎng)交換機(jī)、無線通信設(shè)備和武器系統(tǒng)等，設(shè)備之間通過交換機(jī)交換信息。網(wǎng)絡(luò)為層次型雙冗余10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)，采用虛擬網(wǎng)和組播技術(shù)[9]。作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)和警戒探測設(shè)備等連接在核心層交換機(jī)上,核心層交換機(jī)主要用于作戰(zhàn)系統(tǒng)共用信息和各分系統(tǒng)之間的信息傳輸。作戰(zhàn)系統(tǒng)的部分分系統(tǒng)連接在訪問層交換機(jī)上,訪問層交換機(jī)主要用于本分系統(tǒng)內(nèi)部的信息傳輸,以及同作戰(zhàn)系統(tǒng)核心層交換機(jī)之間的信息傳輸。

3.2 節(jié)點模型創(chuàng)建

OPNET使用的網(wǎng)絡(luò)模型包括通信設(shè)備和通信鏈路兩大部分。這里所討論的節(jié)點就是用來定義網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并實現(xiàn)通信節(jié)點功能的模型。使用OPNET作為仿真平臺是為了更好地模擬通信網(wǎng)絡(luò)模型。所以，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的功能必須得到準(zhǔn)確實現(xiàn)。OPNET的節(jié)點模型系統(tǒng)是基于塊結(jié)構(gòu)的方法，其中包括一系列連接模塊。每個模塊都有自己的一套I/O、狀態(tài)存儲以及內(nèi)部計算方法。這些模塊除了使用系統(tǒng)封裝的功能，還可對模塊功能人為地進(jìn)行自定義。

根據(jù)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)，作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用層采用的是CSMXP協(xié)議，傳輸層使用的是UDP傳輸協(xié)議，這樣就不再需要tpal模塊來配接不同的應(yīng)用了[10,11]。如圖2所示，設(shè)計的設(shè)備節(jié)點都包括1個應(yīng)用層CSMXP協(xié)議模塊，1個udp模塊，1個ip路由協(xié)議封裝模塊、1個ip路由協(xié)議模塊、1個arp地址解析協(xié)議模塊、1個mac模塊和1組收發(fā)信機(jī)，另外還有1個CPU模塊。

圖2 作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)的節(jié)點模型

4 網(wǎng)絡(luò)性能仿真模型

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能的好壞需要通過網(wǎng)絡(luò)性能來體現(xiàn)，在本文中所創(chuàng)建的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型采用虛擬網(wǎng)和組播技術(shù)。由于艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)有眾多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，各作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息流關(guān)系復(fù)雜，要對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行定量研究，必須指定適當(dāng)?shù)男阅軜?biāo)準(zhǔn)。評價網(wǎng)絡(luò)性能好壞的技術(shù)指標(biāo)有很多，根據(jù)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)和OPNET仿真的特點，本文網(wǎng)絡(luò)性能仿真主要包括網(wǎng)絡(luò)吞吐量、信道容量、鏈路利用率、節(jié)點利用率、系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間、數(shù)據(jù)包延遲時間、延遲抖動、丟包率和可靠性等。其系統(tǒng)用到的部分網(wǎng)絡(luò)模型如下：

1) 應(yīng)用層端到端延遲

以應(yīng)用層數(shù)據(jù)包發(fā)送和到達(dá)之間的間隔來計算。源節(jié)點中應(yīng)用層數(shù)據(jù)包從創(chuàng)建開始，由物理層發(fā)出經(jīng)過各個協(xié)議層，經(jīng)過路由搜索階段的等待延遲、緩沖器中的隊列延遲和信道中的傳輸延遲，到達(dá)目的地的應(yīng)用層所經(jīng)歷的時間。計算公式如下：

R(n)=[TR(n)-TT(n)]

(1)

式中，R(n)是第n個數(shù)據(jù)包的延遲，TR(n)是第n個數(shù)據(jù)包收到的時間，TT(n)是第n個數(shù)據(jù)包發(fā)送的時間。

2) 以太網(wǎng)延遲

它是指一個幀或數(shù)據(jù)包從數(shù)據(jù)鏈路層傳送到物理層所需的時間，此統(tǒng)計量為全局統(tǒng)計量[12]。

3) 網(wǎng)絡(luò)層平均流量

對交換機(jī)的各端口進(jìn)行監(jiān)測，再選擇其端口狀態(tài)分析功能，記錄各端口的流量平均值，最后將各端口流量的平均值相加即可得到網(wǎng)絡(luò)流量的平均值[13]。

4) 系統(tǒng)吞吐量(Throughput)

系統(tǒng)吞吐量是指單位時間單位節(jié)點收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)量[10,14]。

(2)

式中,n是網(wǎng)絡(luò)收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量；t是當(dāng)前仿真時間；N網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目。

5) 鏈路利用率

以采樣時間段內(nèi)的傳輸速率與鏈路容量之比來計算。計算公式如下：

(3)

式中，BR(n,i)是第n條鏈路在第i個采樣時段的鏈路利用率;BT(n,i)是第n個采樣時段內(nèi)第i條鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量；Tl是采樣時間段的長度；BN是第N條鏈路的鏈路帶寬。

6) 誤碼率

在傳輸過程中發(fā)生誤碼的碼元個數(shù)n與傳輸?shù)目偞a元N之比。

(4)

該指標(biāo)是多次統(tǒng)計的平均量，所以此處指的是平均誤碼率。

5 OPNET仿真結(jié)果與分析

OPNET提供的仿真編輯器如圖3所示。設(shè)定有關(guān)的仿真參數(shù)，按運(yùn)行按鈕運(yùn)行仿真。

作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真運(yùn)行時間由Common選項欄中的Duration仿真參數(shù)來設(shè)定。Seed是在仿真過程中產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的種子。Values per statistic為每一次統(tǒng)計需采樣值的個數(shù)；Update interval為每次仿真結(jié)果更新所需的事件數(shù)目。將信息處理能力的航跡容量批數(shù)作為全局屬性在進(jìn)程模型中定義，所以可在仿真編輯器Global Attributes選項欄中設(shè)定其具體的值。進(jìn)程中各個分系統(tǒng)應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長度為系統(tǒng)信息處理能力的航跡容量批數(shù)都為1時的值與批數(shù)的乘積。

根據(jù)艦艇的實際作戰(zhàn)背景，制定相應(yīng)的仿真場景想定。設(shè)定作戰(zhàn)系統(tǒng)運(yùn)行時間為30 min，其中雷達(dá)B、雷達(dá)C、雷達(dá)D、導(dǎo)航/引導(dǎo)雷達(dá)、紅外警戒設(shè)備、電子對抗系統(tǒng)、水聲系統(tǒng)、水聲對抗系統(tǒng)和超視距機(jī)載站等系統(tǒng)的信息處理能力的航跡容量都為1時，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在作戰(zhàn)條件下；航跡容量為各設(shè)備的最大處理容量時，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在綜合作戰(zhàn)條件下，分別在兩種條件下測量網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時的性能指標(biāo)。在仿真執(zhí)行過程結(jié)束后，可以通過多種方式來查看仿真結(jié)果。得出部分仿真結(jié)果如以下各表所示。

圖3 仿真編輯器

表1 網(wǎng)絡(luò)延遲統(tǒng)計

表2 網(wǎng)絡(luò)流量和鏈路利用率統(tǒng)計

5.1 IP組播仿真結(jié)果分析

組播作為一點對多點的通信，是節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效方法之一。從表2的流量統(tǒng)計可以看出，核心層交換機(jī)A轉(zhuǎn)發(fā)包的個數(shù)是接收包個數(shù)的4倍多，而訪問層交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)包的個數(shù)比接收包個數(shù)少。分析原因是，模型中采用了組播技術(shù)，核心層交換機(jī)A被設(shè)置為組播的匯聚點，即核心層交換機(jī)A接收到組播報文后，按組中節(jié)點數(shù)進(jìn)行復(fù)制分發(fā)，所以才出現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)的包會多余接收的包；而對于訪問層交換機(jī)，組播報文并不在此復(fù)制分發(fā)，而其中收到的一部分廣播包還會被虛擬網(wǎng)所屏蔽掉，不會被轉(zhuǎn)發(fā)，所以轉(zhuǎn)發(fā)包的個數(shù)比接收包個數(shù)要少。通過仿真結(jié)果可以看出，作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)中IP組播技術(shù)是可行的，組播組的劃分也是合理的。采用此技術(shù)不僅可提高數(shù)據(jù)傳送效率，還可減少主干網(wǎng)出現(xiàn)阻塞的可能性。

5.2 網(wǎng)絡(luò)流量和帶寬利用率分析

表2的仿真結(jié)果表明，作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)在綜合作戰(zhàn)的情況下，鏈路的最大流量約為1.4 Mbps，網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率小于5%，即網(wǎng)絡(luò)流量非常小。與方面作戰(zhàn)條件相比，在綜合作戰(zhàn)條件下，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流量有明顯增大，但訪問層與核心層的鏈路為百兆光纖級，故與1.4 Mbps流量相比，核心層交換機(jī)和訪問層交換機(jī)的鏈路容量完全可滿足需求。作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量和帶寬利用率很小，不存在網(wǎng)絡(luò)瓶頸。目前核心層交換機(jī)和訪問層交換機(jī)的背板容量和端口還有很大的擴(kuò)充余地，因此無論從業(yè)務(wù)和物理節(jié)點的接入來看，整個數(shù)據(jù)網(wǎng)可滿足其他業(yè)務(wù)和設(shè)備的接入。

5.3 VLAN仿真結(jié)果分析

在進(jìn)行有VLAN設(shè)置的仿真中，仿真模型中的VLAN是根據(jù)每個分系統(tǒng)或信息相關(guān)的設(shè)備節(jié)點的原則來劃分的。通過對交換機(jī)各端口的配置，實現(xiàn)交換機(jī)端口所連設(shè)備節(jié)點的虛擬網(wǎng)設(shè)置，并對每個VLAN設(shè)置一個獨立的C類網(wǎng)段，從而實現(xiàn)各分系統(tǒng)之間的互通。分析原因是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由和VALN原理，每個VLAN可以設(shè)置一個網(wǎng)關(guān)地址，因而解決了各網(wǎng)段之間路由所需的網(wǎng)關(guān)地址問題。VLAN協(xié)議下各節(jié)點的IP地址定義是正確合理的。從表3可以看出，通過對各分系統(tǒng)劃分VLAN，有效地阻隔了分系統(tǒng)內(nèi)部的廣播報文向主干網(wǎng)上廣播。

表3 虛擬網(wǎng)丟棄的廣播包統(tǒng)計

通過仿真結(jié)果可看出，設(shè)置虛擬網(wǎng)和層次性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從技術(shù)角度講是合理可行的，對于具體應(yīng)用來說，也可滿足作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

5.4 網(wǎng)絡(luò)端到端延遲分析

這里所指的網(wǎng)絡(luò)端到端延遲是指網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層延遲，即發(fā)報節(jié)點和收報節(jié)點上兩個進(jìn)程(收、發(fā)報文)之間報文傳輸?shù)难舆t，從表1的仿真數(shù)據(jù)可以看出，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)包的平均延遲值接近200 μs，交換機(jī)平均傳輸延遲接近50 μs，可見網(wǎng)絡(luò)端到端延遲主要取決于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸延遲和交換機(jī)傳輸延遲。在仿真模型中節(jié)點是相同的，影響網(wǎng)絡(luò)端到端延遲的主要因素是網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的負(fù)載，也就是說負(fù)載大的節(jié)點，CPU工作比較忙。從整個網(wǎng)絡(luò)對延遲的統(tǒng)計來看，無論是網(wǎng)絡(luò)層延遲還是應(yīng)用層延遲，最大才接近毫秒級，因此網(wǎng)絡(luò)的延遲對整個網(wǎng)絡(luò)的影響很小，可以滿足作戰(zhàn)快速性的要求。

5.5 網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性分析

反映數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的主要指標(biāo)是誤碼率，誤碼率的大小由通路的系統(tǒng)特性和信道質(zhì)量決定，如果通路的系統(tǒng)特性和信道特性都是高質(zhì)量的，則系統(tǒng)的誤碼率較低。因為網(wǎng)絡(luò)中的鏈路模型都是理想的，在進(jìn)行多次仿真后，誤碼率都接近0，所以網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性值接近100%。

6 結(jié)束語

本文通過選用OPNET系列的通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件Modeler來建立艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)的模型，論文根據(jù)仿真需求，選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)來對建立的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行分析。設(shè)定了一個具體的仿真場景想定和一些相關(guān)仿真參數(shù)，通過對不同信息處理能力的航跡容量批數(shù)的仿真得到網(wǎng)絡(luò)延遲、流量、鏈路利用率等的網(wǎng)絡(luò)性能，對網(wǎng)絡(luò)報文設(shè)計的正確性，虛擬網(wǎng)和IP組播組劃分的合理性及網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)行了分析，為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提出了參考意見。

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