空中骨干網絡路由協議改進設計

王文

(中國西南電子技術研究所,成都610036)

空中骨干網絡路由協議改進設計

(中國西南電子技術研究所,成都610036)

空中骨干網絡由多個空中平臺通過無線連接構成,并能夠為各類中小型空中平臺提供網絡服務。空中骨干節點具有動態性,造成骨干網拓撲結構具有可變性,采用商用路由協議將會造成網絡開銷過大、無法維護正確的網絡拓撲信息等問題。通過對空中骨干網絡特點進行分析,在商用主動式路由算法的基礎上進行跨層設計,并優化泛洪機制,實現了網絡開銷隨著鏈路狀態進行動態變化,利用較小的網絡開銷來維護準確網絡拓撲結構。仿真結果表明,改進的路由協議基本滿足空中骨干網的要求。

空中骨干網絡;路由協議;跨層設計;泛洪機制

1 引 言

20世紀90年代末,美國國防部提出了全球信息柵格(Global Information Grid,GIG)的概念。GIG是美軍實施信息化戰爭的關鍵信息基礎設施,它強調分布式、網絡化地覆蓋全球,并從數據中提煉出有用信息,使信息在所有入網的作戰實體之間安全、暢通地流動,目標是為世界任何地方的美軍提供端到端的信息互聯能力。GIG分為空間、空中和地面三部分,提供話音、視頻和數據通信,形成一個全球范圍內的端-端、無縫、類似互連網的網絡。

美國空軍的空中網絡是國防部信息交換的一個空中網絡設施,為GIG提供空中連通性,連接GIG的陸地網絡和空間網絡。處理各種GIG用戶的信息,包括為IP節點傳送IP業務,為傳統節點傳送傳統業務(非IP),通過網關為傳統節點傳送IP業務,通過網關節點為IP節點傳送傳統業務。空中網絡由一個骨干網絡和多個邊界網絡組成(戰術子網、ISR子網、傳統子網)[1]。

關于空中骨干網的路由協議研究有很多。由于空中骨干網節點大多是根據預定航跡運動[2-3],骨干網路由協議的研究主要集中在主動式路由協議,以及主動式路由協議與地理位置等信息相結合進行設計的路由協議[4]。

本文在充分研究空中骨干網絡特點的基礎上,分析空中骨干網絡對路由協議的需求及約束條件,提出基于現有主動式路由協議的改進技術點,并針對主要技術指標進行仿真。

2 路由協議分析

2.1 骨干網對路由協議的約束

骨干鏈路由多個平臺之間的穩定、高帶寬鏈路組成。理想情況下,骨干鏈路應該是對稱的點對點鏈路,并且帶寬、時延和損失特性均相等,其主要特點如下:一是降低網絡復雜度,相對于子網來說,骨干網變化很小;二是網絡節點數小于20個;三是增加網絡穩定性,平臺位置和飛行特性相對穩定,節點之間都可以形成相對穩定的交互能力,提供持續連接服務;四是性能更可靠,為高可靠性需求業務保存路徑資源;五是提供通用網絡服務,比如目錄、網關等。

進行路由協議時應該考慮以下幾個方面:

(1)空中骨干網絡拓撲結構相對比較穩定,在路由選擇上應選擇更簡單和更高效的路由協議,可以參考有線網的路由協議,針對無線環境進行一定改進后使用;

(2)空中骨干網絡節點數目相對有限,節點位置及運動軌跡相對較為固定,路由維護產生的開銷不會太大;

(3)空中骨干節點之間的無線傳輸鏈路傳輸速率較寬。

通過上述分析,空中骨干網絡路由協議采取主動式平面路由協議,該協議的主要特點是不管是否有通信需求,都要進行路由信息交換。該類協議的優點是只要到達目的節點的路由存在,則尋找路由所需的時延很小,但為了使得路由更新能夠適應網絡拓撲的變化,主動式路由協議需要花費較大開銷周期更新路由表。但如果拓撲動態性較高,則容易造成路由信息過時,從而導致路由協議不易收斂。

2.2 現有路由協議分析比較

考慮到空中網絡應能夠提供較低的傳輸時延,因此空中骨干網絡路由協議將主要針對開放式最短路徑優先(OSPF)[5]和優化鏈路狀態路由協議(OLSR)[6]兩類主動式路由協議進行改進。

OSPFv2路由協議是在因特網中運用最廣的路由協議之一,它是一種鏈路狀態協議,通過可靠的泛洪算法將整個拓撲信息分發到網絡中的所有節點,運用Dijkstra最短路徑算法來找出以自己作為根節點的到所有網絡的最短路徑樹,路由器的路由表就是從最短路徑樹得來的。

OLSR路由協議的突出特點是采用多點中繼(MPR)技術,該技術是在泛洪過程中對轉發廣播消息的節點進行選擇,鏈路狀態信息只能是那些被選為MPR的節點來生成,該技術相對于經典泛洪機制來說,極大地減少了消息開銷。在OLSR中,鏈路狀態信息只能是那些被選為MPR的節點來生成;MPR節點可以選擇只報告自身和它的MPR選擇者之間的鏈路,因此只有部分鏈路狀態信息分發到網絡中。

在相同的無線網絡仿真場景下,針對OLSR和OSPFv2協議進行的仿真結果表明,OLSR占用的網絡開銷遠小于OSPF的網絡開銷,但由于OLSR采用的是部分泛洪機制,導致數據可靠傳輸率低于OSPF協議。

3 路由協議改進設計

由于空中骨干網絡傳輸容量較大,但要求具有較高的可靠傳輸能力,因此空中骨干網路由協議在OSPF協議基礎上,結合OLSR協議的優點進行改進。主要改進包括以下幾個方面:

(1)結合OSPF全網泛洪機制和OLSR多點中繼節點選取機制,并在流程和算法上進行優化,避免網絡拓撲維護的不完整性,提高傳輸可靠性;

(2)采用跨層設計,結合無線鏈路特性,使用鏈路監視以及節點監視等功能,為路由算法提供無線鏈路狀態、節點位置、節點工作狀態以及收發質量等信息來優化hello消息發送周期以及路徑選擇,進一步減小網絡開銷;

(3)制定節點在靜默、摧毀等特殊情況下的路由建立、維護及拆除流程。

3.1 優化泛洪機制

選取合適的中繼節點來中繼鏈路狀態信息是降低網絡開銷的有效手段,但中繼節點如果選取不當則容易造成網絡拓撲維護不完整,從而降低數據傳輸可靠性。在網絡的初始建立過程中,承載的業務較少,網絡容量主要用來傳輸hello消息,因此采用OSPF泛洪機制建立全網路由表。在網絡運行過程中,隨著承載業務的增多,通過選取多點中繼節點進行部分泛洪,進而實現在全網泛洪和部分泛洪相結合的機制。網絡運行流程如圖1所示[7]。

圖1 網絡運行過程Fig.1 The process of network running

(1)搜索網絡

節點完成初始加電,搜索當前網絡。如果收到網絡成員發送的消息,則網絡存在,獲取通信密鑰,完成成員入網。如果超時未收到網絡成員發送的消息,則網絡不存在,發起建立網絡,產生通信密鑰等安全參數。

(2)網絡運行

網絡中每個節點實時計算本節點發送和接收的泛洪數據量與所有數據量的比值,當該比值大于a時,說明本節點實際需要傳輸的業務量較小,并將業務量大小通過hello消息包中特定字段來反映,如果業務量較小的節點個數大于b,則網絡采用泛洪機制周期進行全網拓撲維護,同時通過鄰居選擇算法進行鄰居節點選擇,構建并維護鄰居節點集;如果上述兩個條件沒有同時滿足,則網絡采用部分泛洪機制,通過鄰居節點傳輸鏈路狀態廣播等泛洪類數據包。

(3)靜默

成員靜默定義為只能接收數據包且不能發送數據包。成員靜默狀態通知到全網,所有網絡成員保留靜默成員的路由信息,并正常轉發目的地址為靜默成員地址的數據包。成員靜默超時未收到解除靜默或繼續靜默通知,則刪除靜默成員路由信息。

(4)退網

網絡管理站收到成員發送的退網消息視為成員退網。網絡管理站將成員退網消息傳輸到網絡的所有網絡成員,網絡成員收到成員退網消息,則停止轉發所有發往該成員的數據包。

3.2 跨層設計

為了適應無線鏈路特點,骨干網路由協議采用跨層設計,并將跨層設計與實際應用相結合,制定適合空中骨干網絡路由算法策略集,涉及到的具體策略包括以下兩方面。

(1)動態調整Hello消息時間間隔

路由協議應在規定的時間間隔發送hello消息,hello消息主要用于維護和發現鄰居節點,構建鄰居節點集。影響hello消息發送周期的事件包括:初始入網節點/退網(含靜默節點)在一段時間內大于幾個;某條鏈路鏈路質量;鏈路業務負載等。

(2)優化初始入網節點獲取全網拓撲的流程

初始入網節點發送的hello消息不采用泛洪機制,初始入網節點的鄰居節點接收到hello消息后,只發送路由表中變化的表項;初始入網節點通過比較鄰居節點的鏈路質量、傳輸業務量、節點ID等因素,向某一個鄰居節點發送路由表請求信息,由該鄰居節點將本節點建立的路由表發送到初始入網節點,隨后初始入網節點通過路由表計算、接收其他鄰居節點hello消息等途徑完善路由表,從而減少路由開銷。

4 仿真實驗及結果分析

為了在實際網絡中分析路由協議,采用OPNET進行了路由協議仿真,網絡節點數設置為20個,節點移動模型設置為橢圓形飛行軌跡,節點通過參數設置隨機進行入網、退網或者靜默,節點傳輸速率設置為10 Mbit/s,主要針對路由協議開銷和數據可靠傳輸率兩項指標進行分析和評估。

數據可靠傳輸率,定義為源節點的數據發出后被目的節點正確接收的數量多少。仿真結果如圖2所示。

圖2 數據可靠傳輸率Fig.2 Packet delivery ratio

從圖2可以看出,OLSR和經過改進的路由協議數據傳輸可靠率都高于70%,經過改進的路由協議數據傳輸可靠率普遍比OLSR協議高。

網絡剛開始運行時,數據可靠傳輸率較低,主要由于當時網絡拓撲還沒有完全建立起來,隨著網絡的運行,數據傳輸可靠率逐漸提高,直到100%,但隨著節點運動速度的加快,數據傳輸可靠率有所下降,這是因為網絡節點運動的加快引起了網絡拓撲的變化,而hello消息包更新率沒有適應網絡拓撲的變化。

路由協議開銷,定義為建立和維護路由表所引起的額外分組數據包個數,主要包括hello消息包、鏈路狀態通告消息等。仿真結果如圖3所示。

圖3 路由協議開銷Fig.3 Routing overhead

從圖3可以看出,隨著網絡中數據傳輸比例的增加,路由開銷比率越來越小,主要因為隨著數據傳輸比例增加,hello消息包、鏈路狀態通告消息等消息的傳輸采取了優化措施,減少了這兩類消息發送的長度、相關內容及頻率等。

網絡中數據傳輸較少時,經過改進的路由協議開銷比率比OLSR協議開銷比率高,主要是因為改進的路由協議在數據傳輸較少時,路由開銷的傳輸長度、頻率都會增加,從而更好地維護網絡拓撲。

5 結 論

本文分析了空中骨干網絡的基本特點,并比較了OSPF和OLSR兩個典型主動式路由協議的特點,在優化泛洪機制和跨層設計兩方面提出了改進研究方案,并針對數據可靠傳輸率和路由協議開銷這兩個主要指標進行了仿真分析。仿真表明,提出的改進路由協議在一定范圍內提高了數據傳輸可靠率,并減小了路由開銷,基本滿足空中骨干網運行特點。下一步工作包括:將改進后的協議與網絡節點位置信息相結合,使骨干網路由協議更加高效可靠;同時,還將通過軟硬件實現平臺,對改進后的路由協議進行工程實現,并在工程實際中進一步驗證技術指標。

[1]Tiwari A,Ganguli A,Anderson D S,et al.Mobility Aware Routing For the Airborne Network Backbone[C]//Proceedings of 2008 IEEE Military Communications Conference.San Diego,CA:IEEE,2008:1-7.

[2]Tiwari A,Ganguli A,Kothari A,et al.Feasibility of Communication Planning in Airborne Netwroks using Mission Information[C]//Proceedings of 2009 IEEEMilitary Communications Conference.Boston,MA,USA:IEEE,2009:1233-1239.

[3]Compton M,Hopkinson K,Graham S.The Network Tasking Order(NTO)[C]//Proceedings of 2008 IEEEMilitary Communication Conference.San Diego,CA,USA,2008:1-7.

[4]Kothari A,Shen B H,Tiwari A.Performance chariacterization of ad hoc routing protocolswith mobility awareness[C]//Proceedings of IEEEMilitary Communication Conference.San Jose,CA,USA:IEEE,2010:778-783.

[5]RFC 5613,OSPF Link-local Signaling[S].

[6]RFC 3626,Optimized Link State Routing Protocol(OLSR)[S].

WANG Wen-tao,QING Li.Route protocol design in highmobility wireless AdHoc network[J].Telecommunication Engineering,2012,52(5):804-807.(in Chinese)

WANG Wen-tao was born in Taiyuan,Shanxi Province,in 1975.She received the M.S.degree in 2004.She is now an engineer.Her research concerns Ad Hoc networks,data link,etc.

Email:Wang-wentao555@163.com

Improvement of Route Protocol for Air Backbone Network

WANG Wen-tao
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Air backbone network is composed of many air platformswhich are connected by wireless communication and can provide network service.The mobility of air platforms causes variability of network topology.If it uses commercial route protocol,route overhead will be large and network topology information can be wrong.Through analysing the characteristic of air backbone network,cross-layer design and flooding process optimization are performed based on commercial route protocol.Route overhead can change dynamically according to link state while maintaining correct network topology.Simulation result demonstrates that the improved route protocol meets the requirement of air backbone network.

air backbone network;route procotol;cross-layer design;flooding mechanism

TN915;TN923

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.037

1001-893X(2012)06-1014-04

2012-05-09;

2012-06-05