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，加強海洋資源管理，對沿海國家的經濟建設、國防安全、環(huán)境保護和減災防災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與各級海洋信息處理中心之間構建海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網絡，以支持多平臺多類海洋監(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、短波/超短波組網、地面網絡等多種傳輸手段，構建智能化海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網絡，由于各類傳輸手段的傳輸能力、多址方式、網絡協(xié)議不盡相同，海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網不同異構傳輸網絡之間需要設計高效統(tǒng)一的異構互連路由策略，實現(xiàn)網間大量數(shù)據(jù)快速、可靠的融合傳輸。

1 海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網絡結構

按照各種檢測平臺與各級海洋信息處理中心之間的信息傳輸關系，各類監(jiān)測平臺依據(jù)配屬關系向不同海洋信息處理中心上傳監(jiān)測信息，各級海洋信息處理中心構成全連通網絡實現(xiàn)信息的共享〔2〕。

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網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)測臺站到處理中心的信息接入，另一方面要使用地面寬帶網絡保障各級處理中心之間的信息共享。傳輸手段包括衛(wèi)星通信、升空平臺中繼通信、超短波/短波無線通信、水下通信以及地面寬帶網絡等，通過天、空、海、潛多層次信息鏈路構建海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)異構傳輸網絡，支持不同類型信息的可靠傳輸。海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網傳輸體系如圖1所示。

圖1 海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網傳輸體系示意圖

2 IP路由策略及適應性分析

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網在使用各種傳輸手段的基礎上，采用IP協(xié)議體系開展不同手段之間的異構互連。其中，IP路由策略用來實現(xiàn)不同節(jié)點之間的網絡可達性。在海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網中，考慮采用以下三種IP路由策略：

① 全網預先規(guī)劃選路——靜態(tài)路由

小型、簡單的網絡中應用最多的為靜態(tài)路由協(xié)議，由系統(tǒng)管理員根據(jù)網絡的拓撲結構事先設置好，除非管理員干預，否則靜態(tài)路由不會發(fā)生變化。靜態(tài)路由優(yōu)點是具有非常高的可靠性，缺點是缺乏靈活性，適用于網絡規(guī)模不大，網絡結構比較簡單且拓撲關系確定的場景。但海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網絡傳輸異構、站點較多，需要對大量站點的路由進行管理，再由管理員依次設置各站的靜態(tài)路由表，變得越來越困難，甚至不可實現(xiàn)。

② 應用系統(tǒng)自主選路——策略路由

當應用系統(tǒng)具備獲取信道狀態(tài)并據(jù)此進行選路決策的能力時，可以使用策略路由。在這種情況下，應用系統(tǒng)負責路由選擇，并對待發(fā)送數(shù)據(jù)包填加路由指示標記；網絡中的接入及路由設備負責根據(jù)路由指示標記進行選路轉發(fā)。需要特別指出的是，地面IP網絡路由器一般只能根據(jù)IP頭中的各個字段進行路由選路，而為滿足應用系統(tǒng)的特殊要求，基于鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層標記的高效路由選擇方法需要進一步研究。目前，應用系統(tǒng)自主選路無標準規(guī)范，一般根據(jù)特定任務制定對應的策略，不是本文研究重點。

③ 網絡系統(tǒng)自主選路——動態(tài)路由

當網絡中各節(jié)點之間的通信拓撲關系處于頻繁變化時，可基于專用動態(tài)路由協(xié)議進行路由選擇。動態(tài)路由協(xié)議在地面網絡中應用成熟〔3〕，因此，在海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網絡中使用動態(tài)路由協(xié)議，利用收到的路由信息更新各節(jié)點路由表，達到實時適應網絡結構的變化。本文重點針對海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)網中無線信道的長延時和有限信道帶寬特性，選擇合適的動態(tài)路由協(xié)議。

3 IP路由協(xié)議分析

海洋監(jiān)測異構網絡IP動態(tài)路由協(xié)議的評價、選擇標準主要包括：

① 可擴展性，當運行該協(xié)議的網絡規(guī)模擴大時，不會導致路由協(xié)議的性能快速下降，從而影響網絡性能；

② 高效性，路由協(xié)議應具有較小的協(xié)議負載，包括占用的鏈路帶寬、CPU計算負載、內存；

③ 健壯性，在網絡拓撲發(fā)生變化時。路由協(xié)議應用避免或減少路由抖動〔4〕。

下面分析單播路由協(xié)議RIP、OSPF、EIGRP在海洋監(jiān)測異構網絡中的適應性，并進行仿真分析。

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)測異構網絡中，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進一步降低帶寬開銷〔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算法來構建路由表。OSPF與IP結合密切，被廣泛應用于各種企業(yè)網絡。但OSPF路由協(xié)議在海洋監(jiān)測異構網絡中，其Hello機制和鏈路狀態(tài)泛洪機制導致路由開銷過大，浪費寶貴的無線異構網絡帶寬〔6〕。

3.3 EIGRP路由協(xié)議

EIGRP路由協(xié)議是結合距離矢量算法和鏈路狀態(tài)算法優(yōu)點的平衡混合型路由協(xié)議。該協(xié)議具有復合度量、收斂速度快等優(yōu)點。在海洋監(jiān)測異構網絡中，當網絡拓撲或路由變化時，EIGRP協(xié)議擴散更新流程在海洋監(jiān)測異構網絡中起不到實質作用，且占用大量帶寬〔7〕。

4 IP路由協(xié)議仿真驗證

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

基于標準路由協(xié)議的海洋監(jiān)測網絡仿真場景，由1個透明轉發(fā)衛(wèi)星節(jié)點、2個一級管理中心節(jié)點和40個二級管理中心節(jié)點組成，如圖2所示。所有一級或二級管理中心均通過透明衛(wèi)星節(jié)點相連，組成一個基于廣播型鏈路的網狀拓撲結構〔9〕。每個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絡，EIGRP路由協(xié)議采用默認配置。

圖2 基于標準路由協(xié)議的海洋監(jiān)測網絡仿真場景

4.1 開銷對比

圖3、圖4為RIP、OSPF和EIGRP協(xié)議的開銷對比。OSPF協(xié)議在仿真初期的一段時間內，整個網絡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OSPF達到收斂狀態(tài)之后，整個網絡中數(shù)據(jù)通信趨于穩(wěn)定，但仍維持在一個較高水平(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，某個管理中心重新加入海洋監(jiān)測網絡(模擬路由震蕩)，OSPF協(xié)議和EIGRP協(xié)議均會有一個明顯的突發(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)議開銷對比

圖4 RIP協(xié)議與EIGRP協(xié)議開銷對比

4.2 收斂時間對比

圖5為RIP協(xié)議與EIGRP協(xié)議收斂時間對比。仿真10 min時，某個管理中心退出海洋監(jiān)測網絡；仿真13 min時，該管理中心重新加入海洋監(jiān)測網絡，用來模擬路由震蕩，對比RIP、EIGRP路由協(xié)議在該衛(wèi)星網絡中的協(xié)議收斂時間。當網絡中一條路由信息失效時，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；當網絡中新增一條路由信息時，EIGRP和RIP協(xié)議的收斂時間差別不大。由于在基于透明轉發(fā)衛(wèi)星的網絡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)議收斂時間對比

由上述仿真結果和適應性分析可知，在該仿真場景中，OSPF、EIGRP協(xié)議的路由開銷過大，且隨著網絡節(jié)點數(shù)目的增加，路由協(xié)議開銷會成指數(shù)性增長，對路由器的處理能力、存儲能力，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后，只將與自己直接相連的網絡的路由信息廣播出去，協(xié)議開銷要小得多，且對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用。

5 結束語

本文對海洋監(jiān)測異構網絡中的路由策略進行了研究，主要對IP路由協(xié)議自主選路的路由策略進行適應性分析和仿真驗證，對比了RIP、OSPF、EIGRP路由協(xié)議的協(xié)議開銷和收斂時間，提出將RIP協(xié)議作為海洋監(jiān)測異構網絡的IP路由協(xié)議。該協(xié)議能夠支持高效統(tǒng)一的異構互連，降低網絡中協(xié)議開銷，提高網絡中數(shù)據(jù)帶寬利用率，更加適用于海洋監(jiān)測異構網絡。

[1] 羅漢江.海洋監(jiān)測傳感器網絡關鍵技術研究[D].青島：中國海洋大學,2010:18-20.

[2] 何勰緋.一種新型海洋監(jiān)測節(jié)點定位的網絡路由算法研究[J].艦船科學技術,2016,38(4):106-108.

[3] Tanenbaum A S.計算機網絡[M].北京:清華大學出版社,2004.

[4] 孫晨華,張亞生,何辭,等.計算機網絡與衛(wèi)星網絡融合技術[M].北京:國防大學出版社,2016.

[5] 董飛虎,孫晨華,董忠文,等.MF-TDMA終端中動態(tài)路由協(xié)議的優(yōu)化設計[J].無線電通信技術,2012,38(4):12-13.

[6] 尹波,孫晨華,張俊哲,等.IP路由協(xié)議在MF-TDMA衛(wèi)星系統(tǒng)中適應性研究[J].無線電通信技術,2008,38(5):5-8.

[7] 李子木.地面分組網利用MF-TDMA衛(wèi)星網組網的網關研究[J].無線電工程,2011,41(6):8-10.

[8] 陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京:清華大學出版社,2004.

[9] 郝學坤,孫晨華,李文鐸.MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術體制研究[J].無線電通信技術,2006,32(5):1-3.