OPNET在舰艇作战系统数据网中的应用

1 引 言

舰艇作战系统的结构是以网络为基础的。对于舰艇作战系统网络，其复杂且不断更新的网络通信协议和技术使作战系统设计人员没有足够的精力彻底掌握，与网络通信相关的性能指标又只能通过定性分析得到，作战系统网络设计没有可靠、有效的验证工具。研究舰艇作战系统信息网络的复杂性，选用OPNET系列的通信网络仿真软件Modeler[1]建立舰艇作战系统网络的模型，通过对作战系统数据网信息流的仿真得到有关的网络性能指标，指导舰艇作战系统网络的建设，可以更准确地看出舰艇在复杂的信息环境下网络表现出的特性，从而可以扬长避短，对作战系统信息网络进行优化设计，以提高舰艇的作战效能。

2 数据网仿真

仿真主要针对新型舰艇网络采用的虚拟网和IP组播技术，应用OPNET系列的通信网络仿真软件Modeler对舰艇作战系统数据网信息流进行仿真，得出有关的网络性能指标，为舰艇作战系统数据网技术设计优化提供参考和建议[2-4]。

考虑一种舰艇采用虚拟网和IP组播技术，有众多的节点，信息流关系复杂，需仿真如下内容：

1) 作战系统数据网整个拓扑结构以及整个网络的行为特征和技术体制；

2) 整个网络正常工作时，所有节点的行为特征、节点与节点之间的信息交互关系；

3) 对整个网络性能参数进行统计，并对性能参数进行分析，给出相应的合理建议。

根据舰艇作战系统数据网的特点和仿真的目的，在仿真中采用3层建模机制，即网络层、节点层和进程层的机制；应用动态离散事件和有限状态机的方法对网络建模。一个网络的仿真涉及到网络模型和网络流量两部分建模内容。要仿真舰艇作战系统数据网，需建立网络模型(包括协议模型、节点模型、连接设备模型)和网络流量模型(包括节点的对外接口模型、节点的交互行为模型、信息流模型)。舰艇作战系统数据网仿真需求对网络模型和网络流量两部分进行了分解，具体的仿真需求如下[5]：

1) 物理层建模(100 BaseT、10 BaseT)；

2) 数据链路层建模(IEEE802.3、生成树桥接协议、VLAN模型)；

3) 网络层建模(IP路由协议、IP组播协议)；

4) 传输层建模(三层交换机)；

5) 应用层建模(信息流、节点接口、节点行为)。

3 网络拓扑模型建立

3.1 网络拓扑模型结构

考虑一种舰艇作战系统网络的拓扑结构[6-8]，如图1所示。假定舰艇作战系统网络采用由两个网络交换机组成的双冗余结构，各节点以双冗余方式采用双卡分别与网络交换机1和网络交换机2互联，两网卡配置成同一个IP地址，形成了互为备用的主、备通道。在同一时刻，各节点与网络交换机1互联的网卡处于运行状态，而与网络交换机2互联的网卡处于备用状态，以提高舰艇作战系统网络的可靠性和抗毁性。图1中实线表示主通道，虚线表示备份通道。其中，节点si(1,2,…,S)表示舰艇上的S个传感器。节点ci(1,2,…，C)表示舰艇上的C个通信设备。节点ai(1,2,…，A)表示舰艇上的A个作战指挥台位。节点bi(1,2,…，B)表示舰艇上的B个武器控制台位，包括反舰导弹、防空导弹、反潜导弹等武器控制台位。gi(i=1,2,…,G)表示舰艇上的G个综合导航设备。这些节点大多通过网络交换机实现节点间的连接。但也有少量节点可以不通过网络交换机而直接连接。不失一般性，这里假设如下节点实现直接连接：传感器s1与作战指挥台aA之间、传感器s2与作战指挥台aA之间、通信设备c1与c2之间、武器控制台b1与综合导航设备g1之间等。

图1 一种舰艇作战系统的网络拓扑结构

舰艇作战系统网络为多个子系统组成的局域网系统。拟仿真的网络共包含n个设备(节点)，如雷达、指挥台、局域网交换机、无线通信设备和武器系统等，设备之间通过交换机交换信息。网络为层次型双冗余10/100 M自适应以太网，采用虚拟网和组播技术[9]。作战指挥控制系统和警戒探测设备等连接在核心层交换机上,核心层交换机主要用于作战系统共用信息和各分系统之间的信息传输。作战系统的部分分系统连接在访问层交换机上,访问层交换机主要用于本分系统内部的信息传输,以及同作战系统核心层交换机之间的信息传输。

3.2 节点模型创建

OPNET使用的网络模型包括通信设备和通信链路两大部分。这里所讨论的节点就是用来定义网络的内部结构,并实现通信节点功能的模型。使用OPNET作为仿真平台是为了更好地模拟通信网络模型。所以，网络中节点的功能必须得到准确实现。OPNET的节点模型系统是基于块结构的方法，其中包括一系列连接模块。每个模块都有自己的一套I/O、状态存储以及内部计算方法。这些模块除了使用系统封装的功能，还可对模块功能人为地进行自定义。

根据舰艇作战系统数据网的分层结构，作战系统应用层采用的是CSMXP协议，传输层使用的是UDP传输协议，这样就不再需要tpal模块来配接不同的应用了[10,11]。如图2所示，设计的设备节点都包括1个应用层CSMXP协议模块，1个udp模块，1个ip路由协议封装模块、1个ip路由协议模块、1个arp地址解析协议模块、1个mac模块和1组收发信机，另外还有1个CPU模块。

图2 作战系统数据网的节点模型

4 网络性能仿真模型

舰艇作战系统的网络性能的好坏需要通过网络性能来体现，在本文中所创建的舰艇作战系统网络模型采用虚拟网和组播技术。由于舰艇作战系统有众多的网络节点，各作战系统之间的信息流关系复杂，要对舰艇作战系统网络性能进行定量研究，必须指定适当的性能标准。评价网络性能好坏的技术指标有很多，根据舰艇作战系统和OPNET仿真的特点，本文网络性能仿真主要包括网络吞吐量、信道容量、链路利用率、节点利用率、系统的平均响应时间、数据包延迟时间、延迟抖动、丢包率和可靠性等。其系统用到的部分网络模型如下：

1) 应用层端到端延迟

以应用层数据包发送和到达之间的间隔来计算。源节点中应用层数据包从创建开始，由物理层发出经过各个协议层，经过路由搜索阶段的等待延迟、缓冲器中的队列延迟和信道中的传输延迟，到达目的地的应用层所经历的时间。计算公式如下：

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

(1)

式中，R(n)是第n个数据包的延迟，TR(n)是第n个数据包收到的时间，TT(n)是第n个数据包发送的时间。

2) 以太网延迟

它是指一个帧或数据包从数据链路层传送到物理层所需的时间，此统计量为全局统计量[12]。

3) 网络层平均流量

对交换机的各端口进行监测，再选择其端口状态分析功能，记录各端口的流量平均值，最后将各端口流量的平均值相加即可得到网络流量的平均值[13]。

4) 系统吞吐量(Throughput)

系统吞吐量是指单位时间单位节点收到的数据包的数量[10,14]。

(2)

式中,n是网络收到数据包的数量；t是当前仿真时间；N网络中节点数目。

5) 链路利用率

以采样时间段内的传输速率与链路容量之比来计算。计算公式如下：

(3)

式中，BR(n,i)是第n条链路在第i个采样时段的链路利用率;BT(n,i)是第n个采样时段内第i条链路传输的数据总量；Tl是采样时间段的长度；BN是第N条链路的链路带宽。

6) 误码率

在传输过程中发生误码的码元个数n与传输的总码元N之比。

(4)

该指标是多次统计的平均量，所以此处指的是平均误码率。

5 OPNET仿真结果与分析

OPNET提供的仿真编辑器如图3所示。设定有关的仿真参数，按运行按钮运行仿真。

作战系统仿真运行时间由Common选项栏中的Duration仿真参数来设定。Seed是在仿真过程中产生随机数的种子。Values per statistic为每一次统计需采样值的个数；Update interval为每次仿真结果更新所需的事件数目。将信息处理能力的航迹容量批数作为全局属性在进程模型中定义，所以可在仿真编辑器Global Attributes选项栏中设定其具体的值。进程中各个分系统应用层发送的数据包的长度为系统信息处理能力的航迹容量批数都为1时的值与批数的乘积。

根据舰艇的实际作战背景，制定相应的仿真场景想定。设定作战系统运行时间为30 min，其中雷达B、雷达C、雷达D、导航/引导雷达、红外警戒设备、电子对抗系统、水声系统、水声对抗系统和超视距机载站等系统的信息处理能力的航迹容量都为1时，网络运行在作战条件下；航迹容量为各设备的最大处理容量时，网络运行在综合作战条件下，分别在两种条件下测量网络运行时的性能指标。在仿真执行过程结束后，可以通过多种方式来查看仿真结果。得出部分仿真结果如以下各表所示。

图3 仿真编辑器

表1 网络延迟统计

表2 网络流量和链路利用率统计

5.1 IP组播仿真结果分析

组播作为一点对多点的通信，是节省网络带宽的有效方法之一。从表2的流量统计可以看出，核心层交换机A转发包的个数是接收包个数的4倍多，而访问层交换机转发包的个数比接收包个数少。分析原因是，模型中采用了组播技术，核心层交换机A被设置为组播的汇聚点，即核心层交换机A接收到组播报文后，按组中节点数进行复制分发，所以才出现转发的包会多余接收的包；而对于访问层交换机，组播报文并不在此复制分发，而其中收到的一部分广播包还会被虚拟网所屏蔽掉，不会被转发，所以转发包的个数比接收包个数要少。通过仿真结果可以看出，作战系统数据网中IP组播技术是可行的，组播组的划分也是合理的。采用此技术不仅可提高数据传送效率，还可减少主干网出现阻塞的可能性。

5.2 网络流量和带宽利用率分析

表2的仿真结果表明，作战系统数据网在综合作战的情况下，链路的最大流量约为1.4 Mbps，网络带宽利用率小于5%，即网络流量非常小。与方面作战条件相比，在综合作战条件下，系统的网络流量有明显增大，但访问层与核心层的链路为百兆光纤级，故与1.4 Mbps流量相比，核心层交换机和访问层交换机的链路容量完全可满足需求。作战系统数据网的网络流量和带宽利用率很小，不存在网络瓶颈。目前核心层交换机和访问层交换机的背板容量和端口还有很大的扩充余地，因此无论从业务和物理节点的接入来看，整个数据网可满足其他业务和设备的接入。

5.3 VLAN仿真结果分析

在进行有VLAN设置的仿真中，仿真模型中的VLAN是根据每个分系统或信息相关的设备节点的原则来划分的。通过对交换机各端口的配置，实现交换机端口所连设备节点的虚拟网设置，并对每个VLAN设置一个独立的C类网段，从而实现各分系统之间的互通。分析原因是根据网络交换机、路由和VALN原理，每个VLAN可以设置一个网关地址，因而解决了各网段之间路由所需的网关地址问题。VLAN协议下各节点的IP地址定义是正确合理的。从表3可以看出，通过对各分系统划分VLAN，有效地阻隔了分系统内部的广播报文向主干网上广播。

表3 虚拟网丢弃的广播包统计

通过仿真结果可看出，设置虚拟网和层次性的网络结构，从技术角度讲是合理可行的，对于具体应用来说，也可满足作战系统数据网的数据传输要求。

5.4 网络端到端延迟分析

这里所指的网络端到端延迟是指网络应用层延迟，即发报节点和收报节点上两个进程(收、发报文)之间报文传输的延迟，从表1的仿真数据可以看出，网络应用层数据包的平均延迟值接近200 μs，交换机平均传输延迟接近50 μs，可见网络端到端延迟主要取决于网络节点传输延迟和交换机传输延迟。在仿真模型中节点是相同的，影响网络端到端延迟的主要因素是网络各节点的负载，也就是说负载大的节点，CPU工作比较忙。从整个网络对延迟的统计来看，无论是网络层延迟还是应用层延迟，最大才接近毫秒级，因此网络的延迟对整个网络的影响很小，可以满足作战快速性的要求。

5.5 网络传输可靠性分析

反映数字通信系统可靠性的主要指标是误码率，误码率的大小由通路的系统特性和信道质量决定，如果通路的系统特性和信道特性都是高质量的，则系统的误码率较低。因为网络中的链路模型都是理想的，在进行多次仿真后，误码率都接近0，所以网络传输可靠性值接近100%。

6 结束语

本文通过选用OPNET系列的通信网络仿真软件Modeler来建立舰艇作战系统数据网的模型，论文根据仿真需求，选择相应的网络性能指标来对建立的网络模型进行分析。设定了一个具体的仿真场景想定和一些相关仿真参数，通过对不同信息处理能力的航迹容量批数的仿真得到网络延迟、流量、链路利用率等的网络性能，对网络报文设计的正确性，虚拟网和IP组播组划分的合理性及网络的可靠性进行了分析，为舰艇作战系统数据网络的建设提出了参考意见。

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