胡彪，王建斌，胡衛(wèi)民

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854； 2.海軍裝備部裝備采購中心 100071)

地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點組播協(xié)議研究*

胡彪1，王建斌1，胡衛(wèi)民2

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854； 2.海軍裝備部裝備采購中心 100071)

針對指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)中地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點信息傳輸需求，設(shè)計了一種地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)，并進行了基于組播協(xié)議骨干節(jié)點的仿真分析。仿真結(jié)果表明，PIM-SM組播協(xié)議滿足網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)帶寬需求，對未來在地域通信網(wǎng)架構(gòu)下構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)具有應(yīng)用價值。

網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)；地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點；組播協(xié)議

0 引言

近年來，網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)[1]不斷在軍事通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，地域通信網(wǎng)作為戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的主體，承載著大量目標數(shù)據(jù)的傳輸，具有生存能力強、時效性高、保密性和抗干擾能力強等優(yōu)點，因此得到了世界各國在網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用中的高度重視。美國目前已經(jīng)形成了集數(shù)據(jù)、語音、IP(internet protocol)傳輸?shù)染C合業(yè)務(wù)于一體的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對其天、空、地一體化的戰(zhàn)術(shù)信息柵格的發(fā)展形成了支撐[2]。而國內(nèi)現(xiàn)有的地域通信網(wǎng)所提供的信道帶寬只滿足上一代武器系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)需求，不能滿足網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)的帶寬需求，因此地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點組播協(xié)議的應(yīng)用研究將對我國新型防空反導武器指揮控制系統(tǒng)[3]的組網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)指控體系的發(fā)展進程起到一定的推動作用。

本文提出了一種網(wǎng)絡(luò)化地域通信網(wǎng)體系下骨干節(jié)點組播協(xié)議的應(yīng)用方法，并通過仿真驗證了該方面的有效性。

1 地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點架構(gòu)

地域通信網(wǎng)[4]是由柵格狀骨干節(jié)點和傳輸系統(tǒng)組成的覆蓋戰(zhàn)術(shù)(役)區(qū)域的通信網(wǎng)，是戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的主體，為“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”的實施奠定了基礎(chǔ)。具體地講，地域通信網(wǎng)在一定的作戰(zhàn)地域內(nèi)開設(shè)若干個骨干節(jié)點和用戶節(jié)點，節(jié)點之間通過光纖信道、散射信道或微波信道的方式互聯(lián)，形成既有直達路由又有迂回路由的通信網(wǎng)絡(luò)。

地域通信網(wǎng)無中心組網(wǎng)模式下骨干節(jié)點架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)的骨干節(jié)點依托于指控節(jié)點綜合交換技術(shù)為核心的通信設(shè)備，通過綜合交換技術(shù)實現(xiàn)地域通信網(wǎng)的骨干節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸。通過標準的交換接口或其他接口實現(xiàn)各骨干節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸上的互聯(lián)互通。地域通信網(wǎng)采用無中心組網(wǎng)模式，所有的作戰(zhàn)單元通過相同網(wǎng)絡(luò)組播協(xié)議連接在系統(tǒng)中，目標數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)，又可以保證網(wǎng)絡(luò)上某個節(jié)點損壞時，其他指控節(jié)點代替其執(zhí)行指揮控制能力。

圖1 地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點分布架構(gòu)Fig.1 Field communication network backbone node distributed architecture

無中心組網(wǎng)模式[5]的地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點采用綜合交換技術(shù)[6]將IP數(shù)據(jù)傳輸、話音傳輸以及非IP的數(shù)據(jù)傳輸在統(tǒng)一的異步傳輸模式[7](asynchronous transfer mode,ATM)交換平臺上進行交換。利用ATM交換技術(shù)平臺構(gòu)成統(tǒng)一的多數(shù)據(jù)接入綜合交換平臺，具有動態(tài)組網(wǎng)接入的能力和很強的抗毀性能力。

2 地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點組播通信協(xié)議

在現(xiàn)有的指揮控制系統(tǒng)地域通信網(wǎng)帶寬條件下，要實時處理網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)的大量鏈路數(shù)據(jù)十分困難。不同的骨干節(jié)點都要處理多作戰(zhàn)單元的目標數(shù)據(jù)，這樣就會造成數(shù)據(jù)鏈路的阻塞。為了滿足作戰(zhàn)鏈路對帶寬的需求，在ATM綜合交換機采用IP組播路由協(xié)議，把具有協(xié)同作戰(zhàn)能力的指控節(jié)點加入到相同組播組中，在整個網(wǎng)絡(luò)的任何一條鏈路上只傳送單一的數(shù)據(jù)包。這樣可以大大地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，無論有多少個目標地址，都可以收到組播源發(fā)出的目標數(shù)據(jù)。

IP組播[8]介于IP單播和IP廣播通信之間，并且能使主機發(fā)送IP信息包到IP網(wǎng)絡(luò)中任何一組主機上。IP組播路由協(xié)議就是維護組播路由表的動態(tài)路由協(xié)議。IP組播機制中采用稀疏模式組播協(xié)議(protocol-independent multicast-sparse mode,PIM-SM)，能夠有效地節(jié)約帶寬，降低網(wǎng)絡(luò)負載。

IP組播數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IP組播數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of IP multicast data

IP組播是綜合交換機根據(jù)互聯(lián)的拓撲狀態(tài)，動態(tài)生成和維護組播樹，從而使IP用戶向多個加入同一IP組的用戶發(fā)送信息時網(wǎng)絡(luò)開銷達到最優(yōu)。在綜合交換機上IP組播通過組播管理協(xié)議[9](IGMPv2)實現(xiàn)對組播成員的動態(tài)管理。IP組播路由協(xié)議應(yīng)用最多的主要是PIM-SM協(xié)議和密集模式組播路由協(xié)議(protocol-independent multicast-dense mode,PIM-DM)，IP組播協(xié)議架構(gòu)如圖3所示。

圖3 IP組播協(xié)議架構(gòu)Fig.3 Architecture of IP multicast protocol

全數(shù)字交換體制的PIM-SM[10]采用匯聚點機制，規(guī)定每個組播組必須有一個有效的匯聚點(rendezvous point,RP)路由器，并同時支持共享樹和最短路徑樹(shortest path tree,SPT)這2種分布樹。在仿真模型中使用的PIM-SM方式，組播信息只被發(fā)送到需要它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。這種發(fā)送通過PIM連接完成，其被按每一跳發(fā)送到樹的根節(jié)點(PIM-SM中的樹的根節(jié)點是關(guān)于共享樹或第1跳路由器的匯聚點，其中第1跳路由器是指在最短路徑樹情況下直接與組播源相連的路由器)。當本次加入沿著樹上行發(fā)送時，沿途的路由器建立組播轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)以便需要的組播信息可以沿著樹下行被轉(zhuǎn)送回去。

同樣地，當不再需要組播信息時，路由器為了剪枝不需要的信息，沿著樹上行朝根節(jié)點發(fā)送PIM剪枝消息。當此次PIM剪枝沿著樹向上逐跳傳送時，每一個路由器適當?shù)馗滤霓D(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

PIM-DM[11]不依賴于任何單播路由協(xié)議，總是假定在子網(wǎng)中有接收者，組播信息從一開始就被擴散到網(wǎng)絡(luò)的所有站點，沒有接收者的分支要發(fā)送剪枝消息進行剪枝，在已經(jīng)剪枝的分支上出現(xiàn)新的接收者時可以主動發(fā)送嫁接消息來減少加入延遲。

分析比較2種組播路由協(xié)議，PIM-DM與PIM-SM相比，沒有周期性的加入消息，只有觸發(fā)的嫁接/剪枝消息，同時PIM-DM沒有匯聚RP。而PIM-SM通過SPT，可以得到一個最優(yōu)分布樹，并且在效率、擴充性等各方面得到了認可。

3 骨干節(jié)點組播協(xié)議仿真分析

對上面所提出的無中心組網(wǎng)模式地域通信網(wǎng)進行模型化，假定某地域通信網(wǎng)有8個指控節(jié)點組成的柵格狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。

圖4 骨干節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Network structure model of backbone node

圖中數(shù)字表示指控節(jié)點的序號。對無中心模式地域通信網(wǎng)的柵格拓撲結(jié)構(gòu)，在綜合交換體制平臺上采用PIM-DM和PIM-SM組播協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，每個節(jié)點用被復線進行數(shù)據(jù)傳輸，將第7個節(jié)點的PC機作為發(fā)送端，其余為接收端，在相同傳輸速率下，分別以不同的包長和不同發(fā)包速率，仿真每個接收節(jié)點的丟包率。對相對指控節(jié)點1、相鄰指控節(jié)點2、相對指控節(jié)點5進行丟包率統(tǒng)計，結(jié)果見表1，2。

表1 PIM-DM組播協(xié)議的丟包率Table 1 Packet loss rate in PIM-DM multicast protocol

表2 PIM-SM組播協(xié)議的丟包率Table 2 Packet loss rate in PIM-SM multicast protocol

通過表1，2中的仿真結(jié)果可以看出：

(1) IP組播采用PIM-SM協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸丟包率低，可以滿足地域通信網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅?/p>

(2) 在相同有效帶寬內(nèi)，包長越長，數(shù)據(jù)丟包率越低；

(3) 組播協(xié)議在地域通信網(wǎng)中的恰當應(yīng)用，可以為以后的地域通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提供一種可行性的協(xié)議分析。

4 結(jié)束語

對地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究，是適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭中網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)體系的迫切需求[12]。本文對地域通信網(wǎng)骨干節(jié)點下的組播協(xié)議進行了研究，設(shè)計了一種地域通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，并結(jié)合半實物仿真平臺對2種組播協(xié)議進行了分析驗證。采用綜合交換體制的PIM-SM組播協(xié)議，可以滿足信息化戰(zhàn)爭對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅兄谔嵘赜蛲ㄐ啪W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)能力。

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Multicast Protocol of Regional Communication Network Backbone Node

HU Biao1，WANG Jian-bin1，HU Wei-min2

(1.Beijing Institute of Electronic System Engineering,Beijing 100854,China;2.Naval Equipment Procurement Center,Beijing 100071,China)

Aiming at the command and control system of network cooperative engagement regional communication network backbone nodes transmission requirements, a regional communication network backbone nodes structure is given. The backbone nodes are completed based on the multicast protocol simulation analysis. The simulation results show that PIM-SM (protocol-independent multicast-dense mode) multicast protocol can meet the requirement of network cooperative engagement regional communication network backbone nodes bandwidth and is useful to build field network cooperative engagement system under regional communication network architecture in the future.

network cooperative engagement；regional communication network backbone node；multicast protocol

2013-12-16；

2014-06-11

有

胡彪(1987-)，男，河南周口人。碩士生。研究方向：指揮系統(tǒng)總體。

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱 E-mail：hubiao0394@126.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.016

TN915.8

A

1009-086X(2015)-03-0089-04