互聯(lián)網(wǎng)控制器DiffServ模塊對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的影響

張國(guó)輝，唐雪鋒，王維鋒，高 昂

(裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系，北京 100072)

【信息科學(xué)與控制工程】

互聯(lián)網(wǎng)控制器DiffServ模塊對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的影響

張國(guó)輝，唐雪鋒，王維鋒，高 昂

(裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系，北京 100072)

為了研究互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型的DiffServ模塊對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的影響，分析了區(qū)分服務(wù)模型的體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型。在VRNET仿真平臺(tái)上構(gòu)建了不同地形條件下的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真網(wǎng)絡(luò)，分別統(tǒng)計(jì)了包含DiffServ模塊與不包含DiffServ模塊的仿真模型的態(tài)勢(shì)時(shí)延、數(shù)據(jù)時(shí)延、話音時(shí)延以及業(yè)務(wù)成功率。仿真結(jié)果表明：包含DiffServ模塊相對(duì)于不包含DiffServ模塊的仿真模型的態(tài)勢(shì)業(yè)務(wù)量成功率略微提升，態(tài)勢(shì)時(shí)延下降，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)成功率有所下降，數(shù)據(jù)時(shí)延和語(yǔ)音時(shí)延略微上升。

DiffServ；互聯(lián)網(wǎng)控制器；仿真模型;戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)(Tactical Internet，TI)是互聯(lián)的無(wú)線電臺(tái)、計(jì)算機(jī)硬件和軟件的集合。它是一種基于移動(dòng)無(wú)線自組織網(wǎng)(Mobile ADHOC Network)體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，是數(shù)字化部隊(duì)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，為師以下的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)部隊(duì)提供無(wú)縫通信連接[1]。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)是以戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)為對(duì)象，建立連接旅、營(yíng)、連、排各級(jí)指揮車的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，主要業(yè)務(wù)功能是態(tài)勢(shì)感知信息、指揮控制信息和實(shí)時(shí)話音業(yè)務(wù)，可以模擬真實(shí)系統(tǒng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和話音通信功能。互聯(lián)網(wǎng)控制器是戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中的關(guān)鍵設(shè)備，主要功能是解決不同網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)接入、交換和路由。互聯(lián)網(wǎng)控制器(Internet Controller,INC)采用無(wú)線分組網(wǎng)技術(shù)和路由交換等技術(shù)，主要解決各種不同無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)間以及無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)接入、交換和路由功能，可以直接和戰(zhàn)術(shù)終端進(jìn)行連接，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。INC適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中通信設(shè)備快速移動(dòng)、快速組網(wǎng)的需求，同時(shí)保證部隊(duì)“動(dòng)中通”的能力，保障指揮單位在高度機(jī)動(dòng)時(shí)的通信指揮需求。區(qū)分服務(wù)(DiffServ)是為IP網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)品質(zhì)(Qos)提供保證的技術(shù)手段，它能夠?yàn)椴煌琎os要求的應(yīng)用提供不同的服務(wù)優(yōu)先級(jí)，從而提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)品質(zhì)。本文的目的是為了探究戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型是否包含DiffServ模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果的影響。

衡量戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真網(wǎng)絡(luò)中通信業(yè)務(wù)量的參數(shù)主要包括態(tài)勢(shì)時(shí)延、話音時(shí)延和數(shù)據(jù)時(shí)延。為了分析DiffServ模塊對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中通信業(yè)務(wù)量的影響，在詳細(xì)分析DiffServ體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含DiffServ模塊互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型。在VRNET仿真平臺(tái)上搭建戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真網(wǎng)絡(luò)，其中互聯(lián)網(wǎng)控制器模型分別采用包含DiffServ模塊與不包含DiffServ模塊的仿真模型。通過(guò)運(yùn)行仿真，分別統(tǒng)計(jì)其通信業(yè)務(wù)量參數(shù)，最后對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 DiffServ體系結(jié)構(gòu)

DiffServ體系結(jié)構(gòu)于1998年由Steven Blake和David L.Black等起草，其基本思想是給數(shù)據(jù)流分級(jí)，即邊界節(jié)點(diǎn)根據(jù)用戶的流規(guī)定和資源預(yù)留信息將進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的流分類、整形、聚合為不同的流聚集[2]。這種聚集信息存儲(chǔ)在每個(gè)IP包頭的DS標(biāo)記域中，稱為DS標(biāo)記(DiffServ CodePoint,DSCP)；內(nèi)部節(jié)點(diǎn)在調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)IP包時(shí)根據(jù)包頭的DSCP選擇提供特定品質(zhì)的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，其外特性稱為逐跳轉(zhuǎn)發(fā)行為(Per Hop Behavior,PHB)。網(wǎng)絡(luò)邊界對(duì)單流做分類聚合與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對(duì)聚集流提供特定品質(zhì)的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，這兩個(gè)過(guò)程通過(guò)IP包頭內(nèi)的DSCP協(xié)同起來(lái)。DS標(biāo)記域定義為原IPv4包頭的TOS字節(jié)或Ipv6包頭的流類型字節(jié)的前6位[3]。

DiffServ體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，DS域(DiffServ Domain)是由一些相鄰的DS節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合，遵循統(tǒng)一的服務(wù)提供策略并實(shí)現(xiàn)一致地PHB組。邊界路由器(Edge Router)主要實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)姆诸?Classification)和流量的調(diào)節(jié)(Conditioning)，保存流的狀態(tài)信息，根據(jù)預(yù)定的流規(guī)格對(duì)進(jìn)入/離開(kāi)DS域的流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸入/輸出流符合預(yù)先指定的傳輸調(diào)節(jié)協(xié)議(Traffic Conditioning Agreement,TCA)，并在包頭標(biāo)記DSCP值，分類歸入行為聚集；核心路由器(Core Router)則實(shí)現(xiàn)一組或若干組PHB，PHB是根據(jù)DSCP值所選擇的特定調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)行為的外特性描述。在DS域內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)是按照PHB進(jìn)行的，在每一傳輸段逐段保證PHB行為是DiffServ的最大特點(diǎn)，也是區(qū)分服務(wù)分段保證端到端Qos的基礎(chǔ)[4]。

圖1 DiffServ體系結(jié)構(gòu)

邊界路由器對(duì)流進(jìn)行分類和調(diào)節(jié)，并將其歸入某個(gè)行為聚集，標(biāo)記相應(yīng)的DSCP值，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。IP數(shù)據(jù)包首先通過(guò)分類器進(jìn)行分類，而后測(cè)量器對(duì)數(shù)據(jù)流的速率進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量的結(jié)果控制標(biāo)記器對(duì)數(shù)據(jù)包頭進(jìn)行DSCP標(biāo)記；而滿足流量要求的數(shù)據(jù)包將被丟棄，之后數(shù)據(jù)包將通過(guò)隊(duì)列調(diào)度機(jī)制發(fā)送給下一節(jié)點(diǎn)。

圖2 邊界路由器結(jié)構(gòu)

DiffServ重新定義了IPv4中的服務(wù)類型(Type of Services,TOS)字節(jié)和IPv6中的通信類(Traffic Class,TC)字節(jié)的前6位，標(biāo)準(zhǔn)化為區(qū)分服務(wù)碼點(diǎn)(Differentiated Services Code Point,DSCP),如圖3所示。在默認(rèn)情況下，該值為0，對(duì)應(yīng)盡力而為服務(wù)。通過(guò)標(biāo)記不同的DSCP值，選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理行為PHB[6]。

P2-P0:IP優(yōu)先級(jí)字段；D：0-常規(guī)則地延，1-低時(shí)延； T：0-常規(guī)吞吐量，1-高吞吐量； R：0-常規(guī)可靠性； 1-高可靠性；CU：未用，置0。

圖3 TOS字節(jié)

2 互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型

互聯(lián)網(wǎng)控制器用于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的組網(wǎng)，它能夠?yàn)閼?zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)內(nèi)各平臺(tái)以及平臺(tái)內(nèi)各通信設(shè)備提供路由功能，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)各設(shè)備的綜合集成以及各平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)一體化。互聯(lián)網(wǎng)控制器運(yùn)行兩種路由協(xié)議：RIP和OLSR，其中RIP協(xié)議用于有線側(cè)(以太網(wǎng)設(shè)備)的路由，OLSR用于無(wú)線側(cè)(電臺(tái))的路由。

互聯(lián)網(wǎng)控制器模型是戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)模型的核心設(shè)備模型，負(fù)責(zé)子網(wǎng)內(nèi)各個(gè)車輛之間的路由建立和維護(hù)、工作電臺(tái)選擇、設(shè)備接入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

VRNET Developer是一種集成網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，包含大量戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議模型、設(shè)備模型、平臺(tái)模型和網(wǎng)絡(luò)模型，具備良好的開(kāi)放性和擴(kuò)展性，能夠很好地按照需求構(gòu)建仿真系統(tǒng)，非常適合集成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真[7]。

在VRNET Developer仿真平臺(tái)中構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型，其中不包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器模型如圖4所示。

圖4 不包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器

包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器模型如圖5所示。

圖5 包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器

在VRNET Developer仿真平臺(tái)中，DiffServ模塊的具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

DiffServ模塊：

simple DiffServ

{

parameters:

string queueType = default("");//隊(duì)列類型

int linkRate @unit("bps") = default(2Mbps);//連接速率

int queueSize = default(100);//隊(duì)列大小

@display("i=block/bucket");

gates:

input upperIn[];//輸入端口

output lowerOut[];//輸出端口

}

仿真模型中各個(gè)模塊的功能如表1所示。

表1 仿真模型中各模塊功能

為了方便描述，將不包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器模型稱為粗粒度模型，將包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器模型稱為細(xì)粒度模型。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境搭建

在VRNET Developer網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中創(chuàng)建仿真網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)為三層體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連，作為一個(gè)整體進(jìn)行仿真。第一層為戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)(旅營(yíng)網(wǎng))，由骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)組成，其中與第二層子網(wǎng)交疊的節(jié)點(diǎn)為營(yíng)指揮所，其余兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為旅指揮所。營(yíng)指揮所又充當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，既和上級(jí)(旅指揮所)進(jìn)行通信，又與下級(jí)(連指揮車)進(jìn)行通信。骨干網(wǎng)中的每個(gè)營(yíng)指揮所與各自下級(jí)的連指揮車組成第二層網(wǎng)絡(luò)(營(yíng)連網(wǎng))。營(yíng)連網(wǎng)中的連指揮車同樣充當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)與上級(jí)(營(yíng)指揮所)和下級(jí)(排指揮車及普通戰(zhàn)斗車輛)進(jìn)行通信，與其下級(jí)組成戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的第三層子網(wǎng)(連排網(wǎng))[8-9]。選擇不同的地形仿真環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖7,圖8所示。

圖6 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)?/p>

圖7 平原地形仿真環(huán)境

圖8 山區(qū)地形仿真環(huán)境

在VRNET仿真平臺(tái)上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行仿真。網(wǎng)絡(luò)地形選擇平原和山區(qū)，三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置如表2所示，超短波電臺(tái)模型和寬帶電臺(tái)模型調(diào)制方法設(shè)置為BPSK，最大速率分別為32 kbps，128 kbps，帶寬分別為100 kHz、1 000 kHz。旅營(yíng)網(wǎng)的超短波載頻設(shè)置為30 MHz，功率20 W，營(yíng)連網(wǎng)載頻31 MHz，功率30 W，連排網(wǎng)載頻32 MHz，功率20 W。數(shù)據(jù)報(bào)文大小按一至五級(jí)分別設(shè)置為300Byte，250Byte，200Byte，150Byte，100Byte。節(jié)點(diǎn)發(fā)起各等級(jí)業(yè)務(wù)的比率都為20%，流量模型設(shè)置為自相似流量模型，語(yǔ)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過(guò)pareto重尾分布的ON/OFF數(shù)據(jù)源產(chǎn)生[10]。

表2 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 仿真結(jié)果

在不同地形的仿真場(chǎng)景中，分別運(yùn)行包含粗粒度互聯(lián)網(wǎng)控制器模型仿真網(wǎng)絡(luò)和細(xì)粒度互聯(lián)網(wǎng)控制器模型仿真網(wǎng)絡(luò)，其態(tài)勢(shì)時(shí)延仿真結(jié)果如圖9～圖12所示，數(shù)據(jù)時(shí)延仿真結(jié)果如圖13～圖16所示，話音時(shí)延仿真結(jié)果如圖17～圖20所示，仿真結(jié)果如表3、表4所示。

圖9 粗粒度平原地形態(tài)勢(shì)時(shí)延

圖10 細(xì)粒度平原地形態(tài)勢(shì)時(shí)延

圖11 粗粒度山區(qū)地形態(tài)勢(shì)時(shí)延

圖12 細(xì)粒度山區(qū)地形態(tài)勢(shì)時(shí)延

圖13 粗粒度平原數(shù)據(jù)時(shí)延

圖14 細(xì)粒度平原數(shù)據(jù)時(shí)延

圖15 粗粒度山區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)延

圖16 細(xì)粒度山區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)延

圖17 粗粒度平原話音時(shí)延

圖18 細(xì)粒度平原話音時(shí)延

圖19 粗粒度山區(qū)話音時(shí)延

模型粒度運(yùn)行環(huán)境持續(xù)時(shí)間/s業(yè)務(wù)成功率通信數(shù)據(jù)態(tài)勢(shì)語(yǔ)音態(tài)勢(shì)時(shí)延/s上行下行數(shù)據(jù)時(shí)延/s話音時(shí)延/s粗粒度平原10000．97680．99870．94350．97600．23360．23400．48370．0126細(xì)粒度平原10000．97390．99940．93640．97980．23460．24020．47570．0122粗粒度山區(qū)10000．96090．99720．91120．97140．23400．23530．49020．0127細(xì)粒度山區(qū)10000．95340．99860．89250．97340．24310．24490．49000．0126

表4 粗細(xì)粒度業(yè)務(wù)相對(duì)變化率 %

圖20 細(xì)粒度山區(qū)話音時(shí)延

`

仿真結(jié)果表明：不管是山區(qū)地形還是平原地形，粗粒度模型與細(xì)粒度模型相比，態(tài)勢(shì)業(yè)務(wù)量成功率略微提升，態(tài)勢(shì)時(shí)延下降，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)成功率有所下降，數(shù)據(jù)時(shí)延和語(yǔ)音時(shí)延略微上升。粗粒度模型中去掉了diffServ模塊，缺少了IP層Qos機(jī)制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的傳輸品質(zhì)下降，同時(shí)態(tài)勢(shì)業(yè)務(wù)不經(jīng)過(guò)該處理，降低了傳輸?shù)膹?fù)雜度，時(shí)延有所下降，相同仿真時(shí)間內(nèi)態(tài)勢(shì)業(yè)務(wù)的成功率有所增加。對(duì)于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)模型要求高品質(zhì)的數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)，則應(yīng)該選擇細(xì)粒度仿真模型。綜合業(yè)務(wù)及時(shí)延的變化，均在+5%誤差范圍內(nèi)，正確反映了兩種粒度模型在仿真環(huán)境中的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

DiffServ模塊增加了互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型的精細(xì)程度，使得模型變得更加復(fù)雜化。由于增加了DiffServ模塊的Qos機(jī)制，提高了仿真網(wǎng)絡(luò)中的傳輸品質(zhì)，但同時(shí)增加了時(shí)延。通過(guò)搭建山區(qū)和平原兩種地形的仿真環(huán)境，對(duì)不同分辨率模型中的部分功能在仿真網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分析，正確反映了互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型在不同仿真環(huán)境中對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能帶來(lái)的影響。

不同的仿真場(chǎng)景可以根據(jù)具體的仿真需求靈活選用粗粒度或細(xì)粒度的互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型，對(duì)于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的研究有一定的參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Influence of Internet Controller DiffServ Module on Tactical Internet Simulation

ZHANG Guo-hui, TANG Xue-feng, WANG Wei-feng, GAO Ang

(Department of Information Engineering, Academy of Armored Forces Engineering of PLA, Beijing 100072, China)

In order to study the influence of the Differentiated Services (DiffServ) module of the Internet controller simulation model on the tactical Internet simulation, this paper analyzed the system structure of the DiffServ module. The Internet controller simulation model with DiffServ module was constructed. Tactical Internet simulation networks under different terrain conditions were constructed on the VRNET simulation platform, respectively. The statistics of the situation time delay, data delay, voice delay and service success rate of the simulation model including the DiffServ module and not including the DiffServ module were analyzed respectively. Compared to not including DiffServ module of the simulation model, the simulation results show that business situation success rate of the simulation model contained DiffServ module has slightly improved, and its state delay decreases, and its data service and voice service success rate declines and the data delay and latency voice slightly rises.

DiffServ; Internet controller; simulation model; tactical Internet

2016-08-25；

2016-09-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(61302110)

張國(guó)輝(1980—)，男，博士，講師，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)方面的研究；唐雪鋒(1991—)，男，碩士研究生，主要從事仿真模型的可信性研究；王維鋒(1969—)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事指揮信息系統(tǒng)仿真；高昂(1988—)，男，碩士研究生，主要從事戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真方面的研究。

10.11809/scbgxb2017.01.022

張國(guó)輝，唐雪鋒，王維鋒，等.互聯(lián)網(wǎng)控制器DiffServ模塊對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(1):91-96.

format:ZHANG Guo-hui, TANG Xue-feng, WANG Wei-feng, et al.Influence of Internet Controller DiffServ Module on Tactical Internet Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):91-96.

TP391.9

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