基于作战编队网络的动态预测技术研究

徐达峰， 杨建波

（空军航空大学 吉林 长春 130022）

战术目标瞄准网络技术的网络层在设计过程中，摒弃了以往通常采用的分层路由协议，而选择了网络性能更优的IP路由协议体系[1]。 在对空作战过程中，作战编队出于战术设计和实际战场态势的需求， 必然会出现网络分割与合并的情况。 由于编队快速、机动性强的特性，只有对其动向进行提前预测与分析，才能更好地处理上述两种情况[2]。 预测分配法（Prophet Allocation，PA） 是一种适用于大量MANET 用户的IP 地址分配技术，其复杂性、通信开销、时延等特性良好，可以处理好因网络分割与合并而带来的地址问题。

1 预测分配原理

假定通过函数f（n）可以得到一个序列，用它来表示编队中每个节点的状态， 令编队中的其中一个节点选定为节点A。 具体分配过程如下：

1）节点A 随机选取一个整数m 作为自己的IP 地址，并使用一个随机状态作为其f（n）的初始值。

2）当节点B 接近节点A 并要求节点A 分发一个IP 地址时，节点A 通过f（n）产生一个整数n 以及状态值，并将其发送给节点B。

3）节点B 接收到节点A 的消息后，将其IP 设定为n，状态也做出相应的更新，并将此状态作为自己f（n）的初始值。

4）此时节点A 和节点B 均可以为其他节点分配IP 地址和相应的状态值。

在上述分配过程中，函数f（n）的设计决定了分配的IP地址是否具有不重复性（即有效性）[3]。 在借鉴数学计算理论的基础上，函数设f（n）计如下：

作战编队节点建模为 （address，（e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8，e9）），其中（e1，e2，…，e9）数组表示节点自身的状态；指数pi（i=1，2， …，9） 分 别 取1～24 的 质 数；IP 地 址address 建 模 为address=（a+2e13e25e37e411e513e617e719e823e9）modrange+1（适用于节点A 外的其他所有节点）， 其中a 表示节点A 的IP 地址值，range 表示网络地址总个数。 在地址分配过程中，节点更新与产生遵从以下规则：①原来存在的节点进行更新时只需将其9 维数组中标有下划线的元素加1； ②新产生的节点状态与分配其IP 地址的节点状态的元素相同， 只需将下划线后移一维即可。

假 定 range 为 256， 初 始 节 点 A 表 示 为 （0，（0，0，0，0，0，0，0，0）），节点A 通过函数f（n）可以得到一个整数2 和一个新状态（1，，0，0，0，0，0，0），节点A 发送它们给节点B，那么节点A 更新为（0，（，0，0，0，0，0，0）），节点B 可以表示为（2，（1，，0，0，0，0，0））。 此过程重复进行，直至产生256 个地址为止。 具体过程见图1。

2 分配协议

分配协议清楚地表明了一个节点在加入作战编队网络前后状态的变化[4]，过程如图2 所示。

图1 节点更新与产生过程Fig. 1 The process of node updates and produce

图2 预测分配协议Fig. 2 The prediction distribution protocol

1）节点在成功入网前需要开启Ad Hoc 模式，对自身的状态进行周期性地广播播报，此时节点状态从退网状态切换到等待状态。

2）在等待过程中，如果在广播k 次时间内接收到一个分组应答，那么节点就使用该分组提供的IP 地址、状态的初始值和网络识别码ID（Network ID）对自身进行配置；如果在广播k 次的时间内未收到任何分组的应答，则该节点自己随意选择一个IP 地址、状态的初始值和网络识别码ID，完成对自身的配置。

3）节点重复广播HELLO 消息，要求所有接收到其消息的其他节点回送它们的状态，以更新自己的状态。

4） 要是节点收到一条包含多个NID 的HELLO 消息，则启用本地冲突检测技术，待处理完毕后回到配置完成状态。

5）节点需要退出网络时，关闭Ad Hoc 模式即可完成退网，此时返回到退网状态。

3 对于编队分割与合并的处理

作战编队会根据实际空中态势数据进行适时的编队分割与合并，达到指定技战术的最佳攻击效果和最小的战斗力损失，以最小的代价换取最大的胜利[5]。

1）当编队进行分组作战时（以分割成2 个网络为例说明）， 原来的MANET 网络此时需要分割成MANET1 和MANET2 网络。 在MANET1 网络中任意挑选一个节点X，通过节点X 分组前的模型（address，（e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8，e9））来计算该节点的NID，具体来说即NID=（2e1+3e2+5e3+7e4+11e5+13e6+17e7+19e8+23e9）address； 节点X 在MANET 网络中发布一条包含作战任务的HELLO 消息， 等待所有接到该作战任务消息的节点的回复；节点X 在收到其他节点回复后等待一段时间，确定MANET1 网络的成员；最后，节点X 在给MANET1网络的其他节点分配地址过程中将其NID 发送给新节点，这样MANET1 网络就具有一个统一的NID。 MANET2 网络的NID 号的产生过程参考MANET1 网络即可。

2）当作战编队进行全体作战时（以2 个网络合并为例说明）， 原来的MANET1 和MANET2 网络此时需要合并成MANET 网络。 在MANET1 网络中随机选取一个节点P，节点P 向其周边发布一条包含MANET1 网络NID 号的HELLO 消息，等待一个邻近节点Q（属于MANET2 网络）回复一个包含MANET2 网络NID 号的HELLO 消息； 节点P 接到节点Q 的消息后，通过比较2 个NID 号的大小来决定是自己还是节点Q 放弃自己的现有IP 地址和NID 号； 假设是节点P 放弃IP地址和NID 号，那么节点P 需要向节点Q 发送一条请求新的IP 和NID 号的HELLO 消息； 节点Q 收到节点P 的请求后，将新的IP 和NID 号传播给节点P；节点P 根据原来的成员列表， 在给MANET1 网络其他节点分配新的IP 地址时同时发送一条包含新NID 的HELLO 消息，完成网络合并。

4 性能仿真

预测分配法的性能可以从其通信开销和时延两方面来进行综合评估[6]，通信开销可以反映出该算法的实用价值，而时延特性可以反映出该算法的时敏特性。

1）假定节点总数为256 个，在实验中引入了经典的冲突检测分配算法（CDA，Confilict-Detection Allocation）作为对比对象。 实验结果如图3、图4 所示。

图3 256 个节点网络的地址分配通信开销Fig. 3 The address distribution’s communication overhead of 256 nodes in the network

图4 CDA/PA 的通信开销比率曲线Fig. 4 The ratio curve of CDA/PA's communication overhead

图3 的假设前提是所测试区域中网络的节点总数相同，通过图中数据分析可知， 节点采用CDA 算法时的分组数目大约平均是10 500 个， 而采用PA 算法时平均只需分组数200 个左右即可。随着网络区域面积的增加，分组数都呈现降低的走势。

图4 中假设网络全部节点所在的区域面积相同，通过数据可以看出，随着网络节点数的增加，CDA/PA 比率曲线会逐渐近似与网络节点数目成正比，也就是说，随着网络中节点数目的增加，比率会越大，故预测分配法的通信开销远远低于冲突检测分配法。

2）对PA 时延特性进行仿真时，假设网络中有256 个节点，也同样引入经典的冲突检测分配算法作为对比对象。 实验结果如图5、图6 所示。

图5 256 个节点网络的地址分配时延Fig. 5 The address distribution's delay of 256 nodes in the network

图6 网络节点数目对地址分配的影响Fig. 6 The influence of node numbers to address distribution

从图5 和图6 中可以看出， 采用CDA 算法的节点平均需要进行4 次地址检测的重复广播， 而采用PA 算法的节点只需要1.5 次左右的广播即可；同时可以发现，随着网络中节点数量的增加，采用CPA 节点的时延会逐渐增加，而采用PA节点的时延与网络中节点数量无关。这表明采用PA 算法后，可以大大缩短通信时间，提高通信效率。

5 结束语

在空中作战的背景下，设计了预测分配算法对作战编队网络的动态变更进行了预测分析，最后通过与经典的冲突分配算法进行对比实验，验证了预测分配法的实用性，可以更有效地解决网络分割与合并的问题。 基于作战编队网络的动态预测技术是战术目标瞄准技术网络层构建的一个关键技术，通过对作战编队网络的动态研究，可以更进一步地破解美军新一代数据链TTNT 的技术机理， 为我军的数据链路发展与完善添砖加瓦。

[1] 叶礼邦，付海波. 美军战术目标瞄准网络技术分析与启示[J]. 飞航导弹，2014（8）:30-34.

[2] 金荣，张衡阳. 美军TTNT数据链发展应用现状[J]. 现代导航，2015（2）:154-156.

[3] Zhou H，Li L M，Mutka M W. Prophet Address Allocation for Large Scale Manets[J]. IEEE INFOCOM， San Fransisco，2003:315-319.

[4] Yuh-Shyan Chen，Tsung -Hung Lin，and Shin -Min Lin.RAA: a ring-based address autoconfiguration protocol in mobile ad hoc networks [J]. Wireless Pers Commun，2007（43）:549-571.

[5] Stoica.I.Morris，R.Liben-Nowell，D.Karger，et al. A scalable Peer-to-Peer Lookup Protocol for Internet Application[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2002:149-160.

[6] 尚涛，谢龙汉，杜虚如. MATLAB工程计算及分析[M]. 北京:清华大学出版社，2011.