倪淑燕， 李春月， 廖育榮， 陳 帥

(裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

一種適用于高空平臺通信網(wǎng)的抗毀路由協(xié)議

倪淑燕， 李春月， 廖育榮， 陳 帥

(裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

為了提升高空平臺(HAP)通信系統(tǒng)的抗毀性，同時充分利用HAP網(wǎng)絡(luò)準動態(tài)的特點，在原目的節(jié)點序列距離矢量(DSDV)路由協(xié)議基礎(chǔ)上，通過設(shè)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(wǎng)絡(luò)的簡單可靠的路由協(xié)議。該協(xié)議通過設(shè)計雙候選下一跳提高系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET構(gòu)建了路由協(xié)議仿真模型，驗證了協(xié)議的有效性。

高空平臺；目的節(jié)點序列距離矢量路由協(xié)議；雙候選；抗毀性；鏈路開銷

與衛(wèi)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(fā)射功率低，有利于實現(xiàn)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(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。與戰(zhàn)術(shù)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(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)[1]。為了滿足區(qū)域戰(zhàn)術(shù)通信需求，可以利用多個平流層飛艇組網(wǎng)構(gòu)建應(yīng)急區(qū)域戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)[2-3]，為各武器平臺和單兵共享戰(zhàn)場態(tài)勢，形成網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)體系提供技術(shù)支撐。

在戰(zhàn)場環(huán)境下，HAP節(jié)點存在損傷和被摧毀的危險。節(jié)點毀傷帶來的一個重要問題就是路由失效。為了應(yīng)對節(jié)點毀傷時的路由失效，需要良好的抗毀路由協(xié)議。傳統(tǒng)路由可分為動態(tài)路由和靜態(tài)路由2種。雖然大多數(shù)情況下HAP處在靜止狀態(tài)，但是也可能會根據(jù)需求作一定的拓撲調(diào)整；并且當平臺毀傷時，會使HAP網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生無法預(yù)料的變化，因此并不適合采用靜態(tài)路由。動態(tài)路由可以分為先應(yīng)式路由和反應(yīng)式路由，HAP節(jié)點承擔(dān)的是覆蓋區(qū)內(nèi)用戶的中繼轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，這與自組網(wǎng)中用戶節(jié)點區(qū)別很大，節(jié)點一直處于繁忙狀態(tài)，所以更適于采用先應(yīng)式動態(tài)路由。DSDV路由協(xié)議是一種常用的先應(yīng)式路由協(xié)議[4]，主要用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不是很大，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化相對不是很頻繁的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，比較適用于準動態(tài)的HAP通信網(wǎng)絡(luò)。但是，采用常規(guī)的DSDV算法抗毀性較差，且會產(chǎn)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(tǒng)的抗毀性，同時充分利用HAP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)準動態(tài)的特點，本文在DSDV協(xié)議的基礎(chǔ)上進行了改進，提出了一種適用于HAP通信網(wǎng)的抗毀路由協(xié)議。

1 HAP的網(wǎng)絡(luò)模型

HAP通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)由HAP中繼節(jié)點和地面用戶節(jié)點組成，平臺間采用通過平臺間鏈路(Inter Platform Link，IPL)實現(xiàn)互聯(lián)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(qū)覆蓋地面用戶，用戶節(jié)點間的通信完全依賴平臺中繼。

圖1 HAP通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

由于地球視線的遮擋，每個艇只對其鄰居飛艇可見，因此網(wǎng)絡(luò)中HAP節(jié)點連通情況如圖2所示。

圖2 HAP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓撲連接情況

HAP平臺作為空天信息網(wǎng)的中繼節(jié)點，在大部分時間內(nèi)處于準靜止狀態(tài)，但根據(jù)作戰(zhàn)區(qū)域的變化，其網(wǎng)絡(luò)拓撲非完全固定，而是可以根據(jù)需求靈活改變，是一種準動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)。在節(jié)點毀傷時，網(wǎng)絡(luò)拓撲還會發(fā)生突發(fā)性變化，這與移動通信網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)[6]和衛(wèi)星通信網(wǎng)都不同。根據(jù)HAP網(wǎng)絡(luò)拓撲的特點、抗毀需求以及對傳統(tǒng)路由協(xié)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(xié)議。

2 DSDV-DC路由協(xié)議

2.1 基本思想

DSDV-DC路由協(xié)議采用DSDV協(xié)議的表驅(qū)動路由方式，每個節(jié)點維護一張包含到達其他所有目的節(jié)點的路由表[7]。如圖3所示為DSDV-DC協(xié)議的實現(xiàn)流程圖。在路由初始建立階段，各節(jié)點按一定的方式周期性的向鄰居節(jié)點廣播最新的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)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(wǎng)絡(luò)中路由信息的一致性、準確性和及時性[8]。

圖3 DSDV-DC協(xié)議實現(xiàn)流程

由于HAP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)在大部分時間內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，初始路由建立之后便不會發(fā)生改變，只在應(yīng)用區(qū)域需要調(diào)整或節(jié)點毀傷時發(fā)生變化，是一種慢變的拓撲結(jié)構(gòu)。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(jié)點不廣播路由信息，而只向鄰居節(jié)點周期性的廣播Hello包，Hello包中的內(nèi)容僅包含本地節(jié)點地址，無具體路由信息，用來驗證相鄰節(jié)點的連通性。信息的廣播采用時間和事件驅(qū)動方式，在路由建立后以大周期在鄰居節(jié)點間廣播Hello包，當發(fā)現(xiàn)拓撲結(jié)構(gòu)變化時，變?yōu)樾≈芷趶V播路由信息，以迅速進行路由恢復(fù)。

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

2.2 算法實現(xiàn)

下面以網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點i為例，說明路由尋徑的建立和刷新實現(xiàn)過程?；谇懊嬖O(shè)定的HAP網(wǎng)絡(luò)平臺節(jié)點模型，DSDV-DC算法的實現(xiàn)步驟如下。

_2.2.1 步驟一：路由表建立、更新

當網(wǎng)絡(luò)建立或網(wǎng)絡(luò)中有新的節(jié)點加入時，節(jié)點便通過廣播的方式通知其他節(jié)點，收到廣播的節(jié)點便會把相應(yīng)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(fā)送新建立的路由表。一段時間后，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點便都建立了一個完整的路由表，表中包含了所有可達節(jié)點的路由。路由表中包含的主要信息包括目的節(jié)點地址、下一跳地址、鄰接標志、路由跳數(shù)、候選下一跳地址、目的節(jié)點序列號、路由建立時間等。

節(jié)點i的初始狀態(tài)如表1所示。節(jié)點新加入時，路由表中只有一條信息，即到自身節(jié)點的路徑，其中的metric值即最小路由跳數(shù)同原始DSDV路由協(xié)議相同，采用Bellman-Ford算法得到[9]。鄰接標志的配置規(guī)則為：下一跳節(jié)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(jié)點；DSDV-DC的目的節(jié)點序列號配置方式與DSDV協(xié)議相同，主要在路由表更新建立的過程中，起避免路由環(huán)路的作用。

表1 節(jié)點i初始路由表

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

表2 節(jié)點i 2次更新后路由表

按照上述更新方式，經(jīng)過若干個廣播更新周期之后，便在整個HAP網(wǎng)絡(luò)中建立起了一套完整的、基于最小跳數(shù)的雙候選抗毀路由協(xié)議。

_2.2.2 步驟二：路由維護

在DSDV-DC抗毀路由協(xié)議中，主要通過相鄰節(jié)點間廣播Hello包維護路由?；贖AP網(wǎng)絡(luò)平臺的準靜態(tài)特性，在全網(wǎng)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(jié)點之間進行一種周期性的Hello包信息交互；全網(wǎng)路由建立之后，在信息傳輸?shù)耐瑫r節(jié)點i開始向鄰居節(jié)點廣播自己的Hello包，同時周期性的收到鄰居節(jié)點的Hello包；設(shè)定合適的時間域，每次節(jié)點i收到鄰居節(jié)點的Hello包時，僅更新該鄰居節(jié)點的插入時間，只要在設(shè)定的時間域內(nèi)收到鄰居節(jié)點的信息，鄰接標志位就置1，路由可用。與原始DSDV協(xié)議相比，大大節(jié)省了因為路由更新而造成的鏈路開銷。

如果節(jié)點i的鄰居節(jié)點有發(fā)生損毀，如圖4假設(shè)為節(jié)點②損毀，此時節(jié)點i不能收到節(jié)點②的廣播分組，節(jié)點i則將所有下一跳節(jié)點為節(jié)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(jié)點無效，信息傳輸自動轉(zhuǎn)入候選下一跳地址，即啟用局部最優(yōu)候選路徑維持網(wǎng)絡(luò)正常通信，同時觸發(fā)DSDV-DC路由協(xié)議的事件觸發(fā)機制，所有節(jié)點以小周期播放更新本地路由信息，直到建立起節(jié)點毀傷情況下的全網(wǎng)最優(yōu)路由。然后整個節(jié)點②毀傷后的準靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)通過新的全網(wǎng)最優(yōu)路由來傳輸信息。

圖4 節(jié)點損毀示意圖

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

表3 節(jié)點毀傷情況下節(jié)點i路由表

路由重建過程中，某節(jié)點接收到鄰居節(jié)點廣播分組時，確認是新信息，將其路由跳數(shù)加1后再發(fā)送，該過程一直持續(xù)到每個節(jié)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(jié)點地址，到每個節(jié)點的跳數(shù)、接收新的序列號，以及獨有的廣播序列號。當鄰居節(jié)點收到包含新路由信息表的廣播信息后，先比較源節(jié)點、目的節(jié)點路由序列號的大小，具有更大序列號的路由信息總是優(yōu)先接收，而目的節(jié)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(shù)較小的分組，而使路徑最優(yōu)。

3 仿真分析

利用OPNET軟件對DSDV-DC路由協(xié)議進行仿真。首先建立HAP網(wǎng)絡(luò)模型，對路由建立、業(yè)務(wù)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)交互等過程進行仿真，并對路由維護開銷、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等參數(shù)進行統(tǒng)計，分析比較DSDV-DC路由協(xié)議的性能。設(shè)中繼節(jié)點數(shù)目固定為30個，節(jié)點間距離280 km，設(shè)定每個節(jié)點的最大單跳傳輸距離為300 km。

3.1 統(tǒng)計路由表項內(nèi)容

在面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(ODB)模式下，輸入lstop rt可以打印路由表，網(wǎng)絡(luò)中一共30個節(jié)點，以0號節(jié)點為例，打印出仿真結(jié)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(jié)點無局部備份路徑。

圖5 初始路由表仿真結(jié)果(部分)

3.2路由開銷統(tǒng)計

仿真時間為10 min，從30 s后網(wǎng)絡(luò)中開始產(chǎn)生數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。此時初始路由建立完成，網(wǎng)絡(luò)中僅有數(shù)據(jù)分組和相鄰節(jié)點間的Hello分組。如圖6所示，正常數(shù)據(jù)傳輸情況下，藍線表示DSDV-DC協(xié)議的路由維護網(wǎng)絡(luò)開銷，紅線表示原DSDV協(xié)議路由維護產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開銷。由于DSDV-DC協(xié)議在路由維護過程中不產(chǎn)生路由分組，而DSDV協(xié)議周期性進行路由分組廣播，所以通過路由開銷的統(tǒng)計與對比，可以看出DSDV-DC協(xié)議通過改進傳統(tǒng)協(xié)議的維護策略，較明顯的節(jié)省了路由維護階段的鏈路開銷，為HAP網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)約了鏈路資源。

圖6 DSDV-DC協(xié)議與原DSDV協(xié)議網(wǎng)絡(luò)開銷對比

設(shè)定2號節(jié)點在120 s時死亡，與無節(jié)點死亡情況下網(wǎng)絡(luò)開銷的對比，如圖7 所示。紅線指有節(jié)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(jié)點死亡時，網(wǎng)絡(luò)進行路由重建，開始廣播較大的路由分組，增大了網(wǎng)絡(luò)開銷。

圖7 節(jié)點死亡時網(wǎng)絡(luò)開銷對比

通過路由開銷的統(tǒng)計與對比，可以看出DSDV-DC協(xié)議通過改進傳統(tǒng)協(xié)議的維護策略較明顯的節(jié)省了路由維護階段的鏈路開銷，為HAP網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)約了鏈路資源。

3.3 網(wǎng)絡(luò)吞吐量統(tǒng)計

吞吐量指網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點單位時間內(nèi)，成功接收到的數(shù)據(jù)分組的比特數(shù)。設(shè)置4個節(jié)點在50 s時死亡，DSDV路由協(xié)議路由表中以此4個節(jié)點為下一跳的數(shù)據(jù)分組不知道它們已經(jīng)失效，繼而產(chǎn)生丟包；DSDV-DC協(xié)議通過Hello分組可以維護一個鄰居節(jié)點表，可在檢測到下一跳節(jié)點失效后，從鄰居節(jié)點中選擇一個鄰居作為下一跳，從而降低丟包率。

圖8 網(wǎng)絡(luò)吞吐量統(tǒng)計

從圖8中可以看出，在50 s節(jié)點死亡一直到120 s路由表進行重構(gòu)的時間段內(nèi)，DSDV-DC協(xié)議的吞吐量性能要優(yōu)于DSDV協(xié)議。圖9為仿真一個節(jié)點損毀時網(wǎng)絡(luò)的吞吐量變化。通過與圖8的對比，可以看出DSDV-DC路由協(xié)議局部備份路徑在多個節(jié)點毀傷情況下作用較明顯。

圖9 網(wǎng)絡(luò)吞吐量(只有2號節(jié)點死亡)

4 結(jié) 論

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

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(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(shù)。daninini@163.com

TN925+.3

2095-3828(2017)01-0081-05

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.016