舰艇编队网络互联机制研究❋

王玉龙

（北京市西三环中路19号 北京 100421）

1 引言

经过几十年建设及发展，我国海军通信系统已基本覆盖了陆、海、空、天、潜等作战平台，初步具备了有线、短波、超短波、卫星、数据链等多手段通信保障能力。然而，在现阶段的网络建设中，由于各通信子网独立设计，缺乏有效的互联互通手段和统一的路由策略，形成了“烟囱”式的网络结构，无法实现各个子网间之间的信息流转。

随着全球军事作战模式向网络中心战的转变，依托单一通信手段或离散的多种通信手段难以提供有效的信息传输交换支撑和信息服务支撑，因此在海军通信领域，急需研究一种新的网络互连机制，将编队内的多个应用系统通过各种有线／无线进行互联，全面提升舰艇编队中各节点之间的信息传输能力。

2 战术无线通信网络发展趋势

为了实现作战模式向网络中心战［1］的转变，以美国为首的西方先进国家大力发展力量网（FORCEnet）、自动数字网络系统（ADNS）和多国部队海上战术广域网（MTWAN）。

· 力量网FORCEnet［2］是美国海军实现网络中心战的推进手段，也是全球信息栅格GIG（美国国防部实现网络中心战的多兵种联合作战构想）的海军部份。FORCEnet是信息时代美军海战的作战构想和体系结构框架，它将士兵、传感器、网络、指挥控制、平台和武器集成为网络化的、分布式的作战力量，能够灵活应对从水下到空中、从海上到岸上的各类冲突。

· 自动数字网络系统 ADNS［3］（Automated Digital Network System）是FORCEnet与GIG互联的“网关”部分。美国海军计划利用ADNS最终实现全球范围“端到端”的透明无缝连接，在不必大量增加通信设备的前提下，将舰艇无线电通信系统的容量扩大四倍，以满足舰艇作战系统日益增长的信息传输需求。ADNS早在1988～1997年就已初具雏形，美海军利用专用的路由设备、信道接入控制协议实现了“IP over RF”和多个无线信道资源的综合利用，大大提高了网络容量。到2002～2005年，美海军计划利用联合战术无线系统（JTRS）宽带组网波形替换传统的电台设备，以软件无线电的形式，实现动态、自组织、自适应选择频率组网。

· 海上战术广域网 MTWAN［4］（Maritime Tactical Wide Area Network）是上世纪90年代后期，以美军为首的多个国家推动了海军兵力结构中的信息共享，是达到全网络中心环境作战的一个重要步骤。MTWAN采取基于IP的互连策略，允许多种形式的数据在单一网络中进行融合，扩大了海上移动战术环境中的广域互连能力、有效性和移动性。

国外战术无线通信的发展历程和趋势给我海军舰艇编队战术无线通信网络发展提供了重要启示。首先，美国网络中心战的发展指出了未来战争“信息化”和“网络化”的强烈需求，牵引着战术无线通信向着高度网络化方向快速发展，我海军信息化装备的建设必须尽快适应从“平台中心战”向“网络中心战”的转型，必须大力开展综合网络通信研究。其次，美海军的ADNS计划通过无线通信网络将各作战平台以及舰内通信网与岸基通信网等连接成为一个自动化的数字网络系统，提供无缝的数据传输，利用专用的路由设备、信道接入控制协议实现了“IP over RF”和多个无线信道资源的综合利用，大大提高了网络容量，从而提高其海上作战能力，这正是我海军急需解决的问题，具有重要参考价值。再次，美海军非常重视无线通信在战术环境中如何提升信息共享的高效性，提出的MTWAN有效地完成了多种无线异构子网之间的互连互通，MTWAN采取基于IP的互连策略，允许多种形式的数据在单一网络中进行融合，扩大了海上移动战术环境中的广域互连能力、有效性和移动性，推动了海军兵力结构中的信息共享，是达到全网络中心环境作战的一个重要步骤。MTWAN基于IP互连的技术体制对于构建我海军战术无线通信网具有积极的借鉴作用。

3 舰艇编队网络互连模型分析

在我海军战术无线通信网络系统中，由于舰艇平台之间存在多种无线通信子网，系统需要解决如何在多种子网中选择传输路径、信息在子网内部的多跳传输、信息在不同子网之间的相互转发等问题。其中，信息在子网内部传输属于同构的子网内部互连互通问题，多种子网选择和跨子网转发属于异构子网之间的互连互通问题。所以，系统既需要实现各种无线子网内部的互连互通，也需要实现不同无线子网之间的互连互通。借鉴MTWAN和ADNS结构，舰艇编队战术无线通信网的系统互连模型如图1所示。

图1 网络互连模型示意图

如图1所示，无线异构网络互联协议完成编队内无线子网互联形成编队内无线网络，实现跨子网转发功能。通过将舰内网络与编队内无线网络互联，基于IP路由技术实现编队内各个舰艇之间的IP化业务的通信。当其他编队采用IP路由技术体制时，可支持与其他编队的互联。

3.1 互连模型分析

由于编队网采用IP分组技术体制实现编队内异构子网的互联，选择合适的互连模型是实现编队内异构子网互联功能的基础。从网络路由的角度来看，常用的网络互连模型可分为单自治域系统和多自治域系统两类，如图2所示。

图2 互连模型分析

单自治域系统模型将整个网络作为一个路由自治域，内部路由器之间运行内部网关协议IGP［5］。多自治域系统模型将整个网络划分为多个自治域，自治域内独立选择内部网关协议，自治域之间通过外部网关协议EGP实现路由信息交换，EGP的工作是在自治系统之间传递路由信息，而不是去发现和计算路由信息，发现和计算路由信息的任务由IGP路由协议来完成。

3.2 互连模型选择

考虑到舰艇编队战术无线通信网包含有多种无线子网，各子网之间相互独立，且不同子网之间的特性存在较大差异，因此多自治域系统的网络互连模型更适合编队网络环境。

在这种模型中，传输层路由可采用子网内路由和子网间路由的两层路由方式。

在子网内部，针对不同无线子网在信道带宽、传输速率、传输距离、拓扑结构等方面的差异性，可采用不同的路由方式实现。如短波HF子网可采用无线令牌环网方式实现互连，而VHF和UHF子网可采用基于Ad hoc路由协议的自组网方式实现互连，数据链子网采用专用数据链组网协议实现互连，卫星子网采用FDMA或TDMA方式实现互连。

在子网之间，可采用基于IP技术的异构网络互连路由协议实现互连，通过基于抽象链路层互连的策略，将各种子网抽象为链路，并根据无线信道的传输特点，优选无线子网或转发子网，实现无线子网传输或异构网络的互连。同时，通过异构网络互连路由协议机制，还可以实现编队之间的互连互通。

4 路由协议设计

在多自治域系统中，边界路由设备需要运行内部网关协议和外部网关协议，而在有线网络中这两种协议的代表为 OSPF［6］和 BGP［7］。BGP协议有两个子协议组成，分别是EBGP和IBGP，其中EBGP协议主要在两个不同自治域系统的自治域边界路由器之间使用，IBGP则用于同一自治域系统中的自治域边界路由器之间使用。

由于OSPF和BGP协议是为有线网络环境设计的，而编队通信网络与有线网络环境存在很大的不同，主要体现在：舰艇平台之间只能通过无线手段进行互连，可用带宽较窄；两个平台之间不仅仅只有一个无线通信手段，通常情况下具有多种无线通信手段，每种手段可能还包含多个信道；一个舰艇编队的成员通常小于16个，网络规模不是很大；舰艇移动速度相对移动速度不是很快，拓扑变化不是很大；多数情况下，两个舰艇平台之间可以通过某种无线子网（含子网内多跳）可以直达，即使不能直达，通过两个子网进行转发后，基本都可以直达。因此OSPF和BGP等有线路由协议协议并不适用于舰艇编队战术无线通信网络环境。

舰艇编队战术无线通信网络作为一种特殊的Ad hoc网络，不同于普通商用Ad hoc网络，其最大区别在于军事通信网随时面临着复杂的电磁干扰对抗和物理摧毁，这要求网络具有更强的顽存性（自愈能力），更好的隐蔽性（在必要的时候无线电静默），更快的初始组网速度（快速收敛算法），更高的QoS指标（时延、时延抖动、可用带宽和分组丢包率等指标），而在经济性和网络规模方面的要求相对较弱，在节能控制方面，移动节点可以不考虑能源的限制等。因此海战场无线通信环境中对自组织网路由协议应该具备比较高的时效性、可靠性和较大的吞吐量，适应海战场通信环境特点，当前移动 Ad hoc网路由协议如 DSDV［8］、AODV［9］和OLSR［10］等多不是专门针对这一点而设计的。

4.1 WHRP协议原理

针对上述海战场战术无线通信网络特点，我们提出了一种适合舰艇编队战术无线通信网络的异构网络互连协议 WHRP（Wireless Heterogenous Routing Protocol），如图3所示。

图3 编队异构子网互联协议

由于在编队网系统中不是所有的无线子网内都运行无线Ad Hoc网络路由协议，编队网中的节点又具备多接口的特点，如果在节点上采用类似有线网络中运行多套自治域内路由协议的方式来实现，会导致设备功能复杂，扩展性不强、兼容性差等问题，因此需要在节点的无线异构网络互联协议和子网内自组网协议之间增加一套接口协议，用于屏蔽各子网内自组网协议的具体细节，只将子网内的路由结果抽象出来，并提供统一接口与无线异构网络互联协议通信。

4.2 WHRP协议实现

WHRP协议以AODV为基础，根据无线信道、多频多径、抽象链路的海上无线通信传输特点进行适应性修改，采用混合式路由协议，结合按需路由和表驱路由的特点。当接收到业务请求后，首先查询路由表，如果存在可达路由信息，则根据路由表将路由信息反馈给业务请求方；如果不存在可达路由信息，则启动一次路由发现过程，按照按需路由机制向邻居平台发起转发请求，收到邻居平台转发应答后，再将跨子网路由信息反馈给业务请求方，具体流程如图4所示。

图4 跨子网转发典型流程

发送节点首先向邻居节点发送路由请求，邻居节点接收到路由请求后，查询本地路由表，如存在与目的节点有子网直达路由，则生成路由回复消息。发送节点收到路由回复消息后，建立路由表条目并发送数据。

1）邻居节点发现和维护

将邻居节点定义为同一子网内能够互相通信的节点互为邻居节点。在网络开通阶段，所有节点均通过子网提供的可达信息来确定邻居关系。

在网络运行阶段，可从本节点维护的基本传输单元映射表中根据可达性和子网忙闲状态获取可用的各个子网的传输性能参数，使用子网基本传输带宽作为加权因子μi，与可用带宽Bi、时延ti、可靠性参数qi共同计算出一跳可达的路由Valuei，将一跳可达的路由Valuei集合向自己的邻居节点扩散，最终使网络中的每个节点均能获得全网路由的Valuei集合形成路由表。

2）路由发现

当节点在转发数据时，如果在路由表中没有满足要求的子网能够直达目的节点，则将启动一次路由发现过程，发送节点首先选择符合要求的子网广播路由请求消息。邻居节点接收到路由请求后，查询本地路由表，如有满足要求的单跳可达路由，则向发送节点发送路由回复消息。发送节点收到路由回复消息后，建立路由表项，发送数据。路由发现流程如图5所示。

图5 路由发现流程

此外，为了解决广播路由信息而造成网络负荷大的问题，可在进行路由发现时，不在全网络内进行广播搜索，而是在限定的子网转发次数范围内搜索，并逐步增加子网的转发次数直至搜索到目标。

5 仿真实验评估

为了评估HWRP协议的性能，本节使用网络仿真软件quelnet作为实验平台，分析 WHRP和当前主流无线ad hoc网络路由协议AODV、OLSR的性能差异。

5.1 仿真环境

仿真实验中使用的主要参数如表1所示。

表1 仿真参数表

5.2 性能评估指标

性能评估指标采用常用的路由协议的评估标准［10］，包括：

1）分组递交成功率

为网络中所有CBR流源节点所发送分组的总数与CBR目标节点最终成功接收到的分组数量的比率。

2）分组传输时延

为网络中所有最终成功到达CBR流目标节点的数据分组的平均传输时延。

3）路由协议开销

仿真中单位仿真时间内传输的所有路由控制包的数目。该指标路由开销可以用来比较不同路由协议的可扩展性、适应网络拥塞的能力和协议的效率。

5.3 仿真结果分析

仿真过程中使用节点暂停时间来度量网络拓扑变化情况，节点暂停时间越短，表示网络拓扑变化越快；节点暂停时间越长，表示网络拓扑变化越慢；当节点暂时时间接近仿真时间时，表示整个仿真过程中网络拓扑无变化。

1）分组提交成功率

图6 分组提交成功率比较

通过图6可以看到，随着暂停时间的增加，三种协议的分组投递率都在增加。当节点暂停时间较少时，OLSR的分组投递成功率明显低于AODV，主要原因在于，尽管AODV的路由控制数据包要比OLSR多，但总是可以选择新鲜路线，而OLSR协议在网络拓扑不断发生变化时，会倾向于选择错误的路线，从而使数据包投递率降低；随着节点暂停时间的增大，网络变化趋于缓慢，AODV协议投递率不如OLSR。而WHRP协议采用表驱和按需结合的方式，分组提交成功率略低于AODV且高于OLSR。

2）分组传输时延

图7 分组传输时延比较

图7中可以看出，反应式路由AODV延迟比先验式路由OLSR延迟大。证实了先验式路由协议具有找路延时小的优点。WHRP协议传输时延略高于OLSR，这是由于对于跨子网业务，WHRP需要主动发现路由，增加了传输时延。

3）路由协议开销

图8 路由协议开销比较

从图8显示结果表明，由于AODV总是比OLSR产生更多的路由控制分组，因此在网络拓扑不断变化的环境下AODV路由的开销要明显大于OLSR。WHRP协议由于无需周期性维护跨子网路由，HELLO报文的大小远远小于OLSR，因此路由开销小于OLSR。

上述仿真结果说明，WHRP协议在路由协议开销较小的情况下能够提供较好的网络性能，同OLSR、AODV相比，更加适合舰艇编队战术无线通信网络环境。

6 结语

本文在深入研究舰艇编队网络模型的基础上，提出了一种适用于舰艇编队的无线路由协议WHRP，并对协议的有效性进行理论分析和网络仿真，仿真结果表明同现有主流无线Ad hoc路由协议相比，WHRP具备较好的协议性能，更加适合舰艇编队网络复杂多变的环境。

舰艇编队战术无线网络路由协议作为便对网络互联的核心技术，在军事上有着重要的应用价值，本文虽然提出了一种新的路由协议，但受实验条件、研究时间和个人水平的制约，目前仍存在许多工作有待于进一步开展。以下是对未来研究工作的一些展望：

1）协议的安全问题

目前的WHRP协议的设计主要关注于协议的性能，而这些设计都是建立在网络中的节点都是可信的以及所有的路由信息都是正确的这样的假设之上的。考虑到网络安全是战术无线通信网络的一个重要组成部分，如何加强网络的安全控制，避免非法主机的窃听，也需要在下一步的工作中深入研究。

2）仿真工作的进一步完善

本文中的仿真实验均是在一定的模拟场景中进行，在实际应用中相关的仿真结果将会受多种网络因素的影响，因此仿真数据与真实环境可能存在一定程度的偏差。今后将随着仿真实验环境的逐步改善，研究条件成熟的情况下，通过搭建一个无线仿真半实物平台，对WHRP协议做进一步的测试和完善。

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