王文

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

空中骨干網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議改進(jìn)設(shè)計(jì)

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

空中骨干網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)空中平臺(tái)通過(guò)無(wú)線連接構(gòu)成,并能夠?yàn)楦黝?lèi)中小型空中平臺(tái)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?？罩泄歉晒?jié)點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)性,造成骨干網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有可變性,采用商用路由協(xié)議將會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大、無(wú)法維護(hù)正確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌葐?wèn)題。通過(guò)對(duì)空中骨干網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)進(jìn)行分析,在商用主動(dòng)式路由算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行跨層設(shè)計(jì),并優(yōu)化泛洪機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)隨著鏈路狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化,利用較小的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)來(lái)維護(hù)準(zhǔn)確網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)的路由協(xié)議基本滿(mǎn)足空中骨干網(wǎng)的要求。

空中骨干網(wǎng)絡(luò);路由協(xié)議;跨層設(shè)計(jì);泛洪機(jī)制

1 引 言

20世紀(jì)90年代末,美國(guó)國(guó)防部提出了全球信息柵格(Global Information Grid,GIG)的概念。GIG是美軍實(shí)施信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施,它強(qiáng)調(diào)分布式、網(wǎng)絡(luò)化地覆蓋全球,并從數(shù)據(jù)中提煉出有用信息,使信息在所有入網(wǎng)的作戰(zhàn)實(shí)體之間安全、暢通地流動(dòng),目標(biāo)是為世界任何地方的美軍提供端到端的信息互聯(lián)能力。GIG分為空間、空中和地面三部分,提供話音、視頻和數(shù)據(jù)通信,形成一個(gè)全球范圍內(nèi)的端-端、無(wú)縫、類(lèi)似互連網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。

美國(guó)空軍的空中網(wǎng)絡(luò)是國(guó)防部信息交換的一個(gè)空中網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,為GIG提供空中連通性,連接GIG的陸地網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)。處理各種GIG用戶(hù)的信息,包括為IP節(jié)點(diǎn)傳送IP業(yè)務(wù),為傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)傳送傳統(tǒng)業(yè)務(wù)(非IP),通過(guò)網(wǎng)關(guān)為傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)傳送IP業(yè)務(wù),通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為IP節(jié)點(diǎn)傳送傳統(tǒng)業(yè)務(wù)?？罩芯W(wǎng)絡(luò)由一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)邊界網(wǎng)絡(luò)組成(戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)、ISR子網(wǎng)、傳統(tǒng)子網(wǎng))[1]。

關(guān)于空中骨干網(wǎng)的路由協(xié)議研究有很多。由于空中骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)大多是根據(jù)預(yù)定航跡運(yùn)動(dòng)[2-3],骨干網(wǎng)路由協(xié)議的研究主要集中在主動(dòng)式路由協(xié)議,以及主動(dòng)式路由協(xié)議與地理位置等信息相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)的路由協(xié)議[4]。

本文在充分研究空中骨干網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,分析空中骨干網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由協(xié)議的需求及約束條件,提出基于現(xiàn)有主動(dòng)式路由協(xié)議的改進(jìn)技術(shù)點(diǎn),并針對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行仿真。

2 路由協(xié)議分析

2.1 骨干網(wǎng)對(duì)路由協(xié)議的約束

骨干鏈路由多個(gè)平臺(tái)之間的穩(wěn)定、高帶寬鏈路組成。理想情況下,骨干鏈路應(yīng)該是對(duì)稱(chēng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路,并且?guī)?、時(shí)延和損失特性均相等,其主要特點(diǎn)如下:一是降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度,相對(duì)于子網(wǎng)來(lái)說(shuō),骨干網(wǎng)變化很小;二是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)小于20個(gè);三是增加網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性,平臺(tái)位置和飛行特性相對(duì)穩(wěn)定,節(jié)點(diǎn)之間都可以形成相對(duì)穩(wěn)定的交互能力,提供持續(xù)連接服務(wù);四是性能更可靠,為高可靠性需求業(yè)務(wù)保存路徑資源;五是提供通用網(wǎng)絡(luò)服務(wù),比如目錄、網(wǎng)關(guān)等。

進(jìn)行路由協(xié)議時(shí)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面:

(1)空中骨干網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定,在路由選擇上應(yīng)選擇更簡(jiǎn)單和更高效的路由協(xié)議,可以參考有線網(wǎng)的路由協(xié)議,針對(duì)無(wú)線環(huán)境進(jìn)行一定改進(jìn)后使用;

(2)空中骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目相對(duì)有限,節(jié)點(diǎn)位置及運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)較為固定,路由維護(hù)產(chǎn)生的開(kāi)銷(xiāo)不會(huì)太大;

(3)空中骨干節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線傳輸鏈路傳輸速率較寬。

通過(guò)上述分析,空中骨干網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議采取主動(dòng)式平面路由協(xié)議,該協(xié)議的主要特點(diǎn)是不管是否有通信需求,都要進(jìn)行路由信息交換。該類(lèi)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是只要到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由存在,則尋找路由所需的時(shí)延很小,但為了使得路由更新能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?主動(dòng)式路由協(xié)議需要花費(fèi)較大開(kāi)銷(xiāo)周期更新路由表。但如果拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性較高,則容易造成路由信息過(guò)時(shí),從而導(dǎo)致路由協(xié)議不易收斂。

2.2 現(xiàn)有路由協(xié)議分析比較

考慮到空中網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠提供較低的傳輸時(shí)延,因此空中骨干網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議將主要針對(duì)開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先(OSPF)[5]和優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(OLSR)[6]兩類(lèi)主動(dòng)式路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。

OSPFv2路由協(xié)議是在因特網(wǎng)中運(yùn)用最廣的路由協(xié)議之一,它是一種鏈路狀態(tài)協(xié)議,通過(guò)可靠的泛洪算法將整個(gè)拓?fù)湫畔⒎职l(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn),運(yùn)用Dijkstra最短路徑算法來(lái)找出以自己作為根節(jié)點(diǎn)的到所有網(wǎng)絡(luò)的最短路徑樹(shù),路由器的路由表就是從最短路徑樹(shù)得來(lái)的。

OLSR路由協(xié)議的突出特點(diǎn)是采用多點(diǎn)中繼(MPR)技術(shù),該技術(shù)是在泛洪過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇,鏈路狀態(tài)信息只能是那些被選為MPR的節(jié)點(diǎn)來(lái)生成,該技術(shù)相對(duì)于經(jīng)典泛洪機(jī)制來(lái)說(shuō),極大地減少了消息開(kāi)銷(xiāo)。在OLSR中,鏈路狀態(tài)信息只能是那些被選為MPR的節(jié)點(diǎn)來(lái)生成;MPR節(jié)點(diǎn)可以選擇只報(bào)告自身和它的MPR選擇者之間的鏈路,因此只有部分鏈路狀態(tài)信息分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中。

在相同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景下,針對(duì)OLSR和OSPFv2協(xié)議進(jìn)行的仿真結(jié)果表明,OLSR占用的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)遠(yuǎn)小于OSPF的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo),但由于OLSR采用的是部分泛洪機(jī)制,導(dǎo)致數(shù)據(jù)可靠傳輸率低于OSPF協(xié)議。

3 路由協(xié)議改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于空中骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸容量較大,但要求具有較高的可靠傳輸能力,因此空中骨干網(wǎng)路由協(xié)議在OSPF協(xié)議基礎(chǔ)上,結(jié)合OLSR協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。主要改進(jìn)包括以下幾個(gè)方面:

(1)結(jié)合OSPF全網(wǎng)泛洪機(jī)制和OLSR多點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)選取機(jī)制,并在流程和算法上進(jìn)行優(yōu)化,避免網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)的不完整性,提高傳輸可靠性;

(2)采用跨層設(shè)計(jì),結(jié)合無(wú)線鏈路特性,使用鏈路監(jiān)視以及節(jié)點(diǎn)監(jiān)視等功能,為路由算法提供無(wú)線鏈路狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)以及收發(fā)質(zhì)量等信息來(lái)優(yōu)化hello消息發(fā)送周期以及路徑選擇,進(jìn)一步減小網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo);

(3)制定節(jié)點(diǎn)在靜默、摧毀等特殊情況下的路由建立、維護(hù)及拆除流程。

3.1 優(yōu)化泛洪機(jī)制

選取合適的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)中繼鏈路狀態(tài)信息是降低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)的有效手段,但中繼節(jié)點(diǎn)如果選取不當(dāng)則容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)不完整,從而降低數(shù)據(jù)傳輸可靠性。在網(wǎng)絡(luò)的初始建立過(guò)程中,承載的業(yè)務(wù)較少,網(wǎng)絡(luò)容量主要用來(lái)傳輸hello消息,因此采用OSPF泛洪機(jī)制建立全網(wǎng)路由表。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中,隨著承載業(yè)務(wù)的增多,通過(guò)選取多點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部分泛洪,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在全網(wǎng)泛洪和部分泛洪相結(jié)合的機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行流程如圖1所示[7]。

圖1 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程Fig.1 The process of network running

(1)搜索網(wǎng)絡(luò)

節(jié)點(diǎn)完成初始加電,搜索當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)。如果收到網(wǎng)絡(luò)成員發(fā)送的消息,則網(wǎng)絡(luò)存在,獲取通信密鑰,完成成員入網(wǎng)。如果超時(shí)未收到網(wǎng)絡(luò)成員發(fā)送的消息,則網(wǎng)絡(luò)不存在,發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)生通信密鑰等安全參數(shù)。

(2)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)計(jì)算本節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的泛洪數(shù)據(jù)量與所有數(shù)據(jù)量的比值,當(dāng)該比值大于a時(shí),說(shuō)明本節(jié)點(diǎn)實(shí)際需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量較小,并將業(yè)務(wù)量大小通過(guò)hello消息包中特定字段來(lái)反映,如果業(yè)務(wù)量較小的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于b,則網(wǎng)絡(luò)采用泛洪機(jī)制周期進(jìn)行全網(wǎng)拓?fù)渚S護(hù),同時(shí)通過(guò)鄰居選擇算法進(jìn)行鄰居節(jié)點(diǎn)選擇,構(gòu)建并維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)集;如果上述兩個(gè)條件沒(méi)有同時(shí)滿(mǎn)足,則網(wǎng)絡(luò)采用部分泛洪機(jī)制,通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸鏈路狀態(tài)廣播等泛洪類(lèi)數(shù)據(jù)包。

(3)靜默

成員靜默定義為只能接收數(shù)據(jù)包且不能發(fā)送數(shù)據(jù)包。成員靜默狀態(tài)通知到全網(wǎng),所有網(wǎng)絡(luò)成員保留靜默成員的路由信息,并正常轉(zhuǎn)發(fā)目的地址為靜默成員地址的數(shù)據(jù)包。成員靜默超時(shí)未收到解除靜默或繼續(xù)靜默通知,則刪除靜默成員路由信息。

(4)退網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)管理站收到成員發(fā)送的退網(wǎng)消息視為成員退網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)管理站將成員退網(wǎng)消息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的所有網(wǎng)絡(luò)成員,網(wǎng)絡(luò)成員收到成員退網(wǎng)消息,則停止轉(zhuǎn)發(fā)所有發(fā)往該成員的數(shù)據(jù)包。

3.2 跨層設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)無(wú)線鏈路特點(diǎn),骨干網(wǎng)路由協(xié)議采用跨層設(shè)計(jì),并將跨層設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,制定適合空中骨干網(wǎng)絡(luò)路由算法策略集,涉及到的具體策略包括以下兩方面。

(1)動(dòng)態(tài)調(diào)整Hello消息時(shí)間間隔

路由協(xié)議應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間間隔發(fā)送hello消息,hello消息主要用于維護(hù)和發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn),構(gòu)建鄰居節(jié)點(diǎn)集。影響hello消息發(fā)送周期的事件包括:初始入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)/退網(wǎng)(含靜默節(jié)點(diǎn))在一段時(shí)間內(nèi)大于幾個(gè);某條鏈路鏈路質(zhì)量;鏈路業(yè)務(wù)負(fù)載等。

(2)優(yōu)化初始入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)獲取全網(wǎng)拓?fù)涞牧鞒?/p>

初始入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的hello消息不采用泛洪機(jī)制,初始入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)接收到hello消息后,只發(fā)送路由表中變化的表項(xiàng);初始入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)比較鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量、傳輸業(yè)務(wù)量、節(jié)點(diǎn)ID等因素,向某一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由表請(qǐng)求信息,由該鄰居節(jié)點(diǎn)將本節(jié)點(diǎn)建立的路由表發(fā)送到初始入網(wǎng)節(jié)點(diǎn),隨后初始入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由表計(jì)算、接收其他鄰居節(jié)點(diǎn)hello消息等途徑完善路由表,從而減少路由開(kāi)銷(xiāo)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中分析路由協(xié)議,采用OPNET進(jìn)行了路由協(xié)議仿真,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為20個(gè),節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型設(shè)置為橢圓形飛行軌跡,節(jié)點(diǎn)通過(guò)參數(shù)設(shè)置隨機(jī)進(jìn)行入網(wǎng)、退網(wǎng)或者靜默,節(jié)點(diǎn)傳輸速率設(shè)置為10 Mbit/s,主要針對(duì)路由協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)和數(shù)據(jù)可靠傳輸率兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析和評(píng)估。

數(shù)據(jù)可靠傳輸率,定義為源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)出后被目的節(jié)點(diǎn)正確接收的數(shù)量多少。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)可靠傳輸率Fig.2 Packet delivery ratio

從圖2可以看出,OLSR和經(jīng)過(guò)改進(jìn)的路由協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸可靠率都高于70%,經(jīng)過(guò)改進(jìn)的路由協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸可靠率普遍比OLSR協(xié)議高。

網(wǎng)絡(luò)剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí),數(shù)據(jù)可靠傳輸率較低,主要由于當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥€沒(méi)有完全建立起來(lái),隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行,數(shù)據(jù)傳輸可靠率逐漸提高,直到100%,但隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的加快,數(shù)據(jù)傳輸可靠率有所下降,這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加快引起了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?而hello消息包更新率沒(méi)有適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?/p>

路由協(xié)議開(kāi)銷(xiāo),定義為建立和維護(hù)路由表所引起的額外分組數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù),主要包括hello消息包、鏈路狀態(tài)通告消息等。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 路由協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)Fig.3 Routing overhead

從圖3可以看出,隨著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸比例的增加,路由開(kāi)銷(xiāo)比率越來(lái)越小,主要因?yàn)殡S著數(shù)據(jù)傳輸比例增加,hello消息包、鏈路狀態(tài)通告消息等消息的傳輸采取了優(yōu)化措施,減少了這兩類(lèi)消息發(fā)送的長(zhǎng)度、相關(guān)內(nèi)容及頻率等。

網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸較少時(shí),經(jīng)過(guò)改進(jìn)的路由協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)比率比OLSR協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)比率高,主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的路由協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸較少時(shí),路由開(kāi)銷(xiāo)的傳輸長(zhǎng)度、頻率都會(huì)增加,從而更好地維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

5 結(jié) 論

本文分析了空中骨干網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn),并比較了OSPF和OLSR兩個(gè)典型主動(dòng)式路由協(xié)議的特點(diǎn),在優(yōu)化泛洪機(jī)制和跨層設(shè)計(jì)兩方面提出了改進(jìn)研究方案,并針對(duì)數(shù)據(jù)可靠傳輸率和路由協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)這兩個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析。仿真表明,提出的改進(jìn)路由協(xié)議在一定范圍內(nèi)提高了數(shù)據(jù)傳輸可靠率,并減小了路由開(kāi)銷(xiāo),基本滿(mǎn)足空中骨干網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)。下一步工作包括:將改進(jìn)后的協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置信息相結(jié)合,使骨干網(wǎng)路由協(xié)議更加高效可靠;同時(shí),還將通過(guò)軟硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái),對(duì)改進(jìn)后的路由協(xié)議進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn),并在工程實(shí)際中進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)指標(biāo)。

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WANG Wen-tao,QING Li.Route protocol design in highmobility wireless AdHoc network[J].Telecommunication Engineering,2012,52(5):804-807.(in Chinese)

WANG Wen-tao was born in Taiyuan,Shanxi Province,in 1975.She received the M.S.degree in 2004.She is now an engineer.Her research concerns Ad Hoc networks,data link,etc.

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Improvement of Route Protocol for Air Backbone Network

WANG Wen-tao
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Air backbone network is composed of many air platformswhich are connected by wireless communication and can provide network service.The mobility of air platforms causes variability of network topology.If it uses commercial route protocol,route overhead will be large and network topology information can be wrong.Through analysing the characteristic of air backbone network,cross-layer design and flooding process optimization are performed based on commercial route protocol.Route overhead can change dynamically according to link state while maintaining correct network topology.Simulation result demonstrates that the improved route protocol meets the requirement of air backbone network.

air backbone network;route procotol;cross-layer design;flooding mechanism

TN915;TN923

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.037

1001-893X(2012)06-1014-04

2012-05-09;

2012-06-05