海洋監測異構網絡路由策略研究

李 光，張亞生

(1.海參信息通信局，北京 100841；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

開展海洋監測，加強海洋資源管理，對沿海國家的經濟建設、國防安全、環境保護和減災防災工作具有十分重要的意義。海洋監測需要在各種檢測平臺與各級海洋信息處理中心之間構建海洋監測數據網絡，以支持多平臺多類海洋監測數據的接入和交換，完成立體監測數據的傳輸、集成與管理〔1〕。

海洋監測綜合利用衛星、升空平臺、短波/超短波組網、地面網絡等多種傳輸手段，構建智能化海洋監測數據傳輸網絡，由于各類傳輸手段的傳輸能力、多址方式、網絡協議不盡相同，海洋監測數據網不同異構傳輸網絡之間需要設計高效統一的異構互連路由策略，實現網間大量數據快速、可靠的融合傳輸。

1 海洋監測數據網絡結構

按照各種檢測平臺與各級海洋信息處理中心之間的信息傳輸關系，各類監測平臺依據配屬關系向不同海洋信息處理中心上傳監測信息，各級海洋信息處理中心構成全連通網絡實現信息的共享〔2〕。

海洋監測數據網一方面要利用不同的傳輸手段支持陸基和?；牟煌O測臺站到處理中心的信息接入，另一方面要使用地面寬帶網絡保障各級處理中心之間的信息共享。傳輸手段包括衛星通信、升空平臺中繼通信、超短波/短波無線通信、水下通信以及地面寬帶網絡等，通過天、空、海、潛多層次信息鏈路構建海洋監測數據異構傳輸網絡，支持不同類型信息的可靠傳輸。海洋監測數據網傳輸體系如圖1所示。

圖1 海洋監測數據傳輸網傳輸體系示意圖

2 IP路由策略及適應性分析

海洋監測數據網在使用各種傳輸手段的基礎上，采用IP協議體系開展不同手段之間的異構互連。其中，IP路由策略用來實現不同節點之間的網絡可達性。在海洋監測數據網中，考慮采用以下三種IP路由策略：

① 全網預先規劃選路——靜態路由

小型、簡單的網絡中應用最多的為靜態路由協議，由系統管理員根據網絡的拓撲結構事先設置好，除非管理員干預，否則靜態路由不會發生變化。靜態路由優點是具有非常高的可靠性，缺點是缺乏靈活性，適用于網絡規模不大，網絡結構比較簡單且拓撲關系確定的場景。但海洋監測數據網絡傳輸異構、站點較多，需要對大量站點的路由進行管理，再由管理員依次設置各站的靜態路由表，變得越來越困難，甚至不可實現。

② 應用系統自主選路——策略路由

當應用系統具備獲取信道狀態并據此進行選路決策的能力時，可以使用策略路由。在這種情況下，應用系統負責路由選擇，并對待發送數據包填加路由指示標記；網絡中的接入及路由設備負責根據路由指示標記進行選路轉發。需要特別指出的是，地面IP網絡路由器一般只能根據IP頭中的各個字段進行路由選路，而為滿足應用系統的特殊要求，基于鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層標記的高效路由選擇方法需要進一步研究。目前，應用系統自主選路無標準規范，一般根據特定任務制定對應的策略，不是本文研究重點。

③ 網絡系統自主選路——動態路由

當網絡中各節點之間的通信拓撲關系處于頻繁變化時，可基于專用動態路由協議進行路由選擇。動態路由協議在地面網絡中應用成熟〔3〕，因此，在海洋監測數據網絡中使用動態路由協議，利用收到的路由信息更新各節點路由表，達到實時適應網絡結構的變化。本文重點針對海洋監測數據網中無線信道的長延時和有限信道帶寬特性，選擇合適的動態路由協議。

3 IP路由協議分析

海洋監測異構網絡IP動態路由協議的評價、選擇標準主要包括：

① 可擴展性，當運行該協議的網絡規模擴大時，不會導致路由協議的性能快速下降，從而影響網絡性能；

② 高效性，路由協議應具有較小的協議負載，包括占用的鏈路帶寬、CPU計算負載、內存；

③ 健壯性，在網絡拓撲發生變化時。路由協議應用避免或減少路由抖動〔4〕。

下面分析單播路由協議RIP、OSPF、EIGRP在海洋監測異構網絡中的適應性，并進行仿真分析。

3.1 RIP路由協議

RIP路由協議基于距離矢量算法計算路由，存在跳數限制、路由選擇環路、收斂慢等問題，但是在海洋監測異構網絡中，路由器間只有一跳或兩跳的距離，不存在冗余傳輸路徑，不會出現路由環路，因此可以避免RIP協議固有的問題，能夠充分利用RIP路由協議開銷小的優勢，還可采用水平分割技術進一步降低帶寬開銷〔5〕。

3.2 OSPF路由協議

OSPF路由協議都屬于鏈路狀態路由選擇協議，均采用最短路徑優先SPF算法來構建路由表。OSPF與IP結合密切，被廣泛應用于各種企業網絡。但OSPF路由協議在海洋監測異構網絡中，其Hello機制和鏈路狀態泛洪機制導致路由開銷過大，浪費寶貴的無線異構網絡帶寬〔6〕。

3.3 EIGRP路由協議

EIGRP路由協議是結合距離矢量算法和鏈路狀態算法優點的平衡混合型路由協議。該協議具有復合度量、收斂速度快等優點。在海洋監測異構網絡中，當網絡拓撲或路由變化時，EIGRP協議擴散更新流程在海洋監測異構網絡中起不到實質作用，且占用大量帶寬〔7〕。

4 IP路由協議仿真驗證

OPNET是目前業界領先的網絡仿真軟件，可以進行各種路由協議的仿真[8]。海洋監測網絡使用的傳輸手段包括衛星通信、升空平臺中繼通信、超短波/短波無線通信、水下通信以及地面寬帶網絡等，本文以衛星通信為例，利用OPNET仿真軟件搭建海洋監測異構網絡仿真場景，對RIP、OSPF、EIGRP路由協議進行仿真與適應性分析。

基于標準路由協議的海洋監測網絡仿真場景，由1個透明轉發衛星節點、2個一級管理中心節點和40個二級管理中心節點組成，如圖2所示。所有一級或二級管理中心均通過透明衛星節點相連，組成一個基于廣播型鏈路的網狀拓撲結構〔9〕。每個管理中心都有一條路由條目(192.1.x.0/24)，RIP路由協議打開水平分割功能，OSPF路由協議端口類型配置為廣播型網絡，EIGRP路由協議采用默認配置。

圖2 基于標準路由協議的海洋監測網絡仿真場景

4.1 開銷對比

圖3、圖4為RIP、OSPF和EIGRP協議的開銷對比。OSPF協議在仿真初期的一段時間內，整個網絡中路由信息交換的數據量非常大(協議開銷約為750 kbps)，當OSPF達到收斂狀態之后，整個網絡中數據通信趨于穩定，但仍維持在一個較高水平(協議開銷約為30 kbps)；另外，EIGRP協議開銷約為10 kbps，RIP協議的路由開銷約為1 kbps。因此，協議開銷大小為：RIP

另外，在仿真開始9 min時，某個管理中心重新加入海洋監測網絡(模擬路由震蕩)，OSPF協議和EIGRP協議均會有一個明顯的突發流量，而RIP的路由協議開銷曲線沒有明顯的變化。

圖3 RIP協議OSPF協議開銷對比

圖4 RIP協議與EIGRP協議開銷對比

4.2 收斂時間對比

圖5為RIP協議與EIGRP協議收斂時間對比。仿真10 min時，某個管理中心退出海洋監測網絡；仿真13 min時，該管理中心重新加入海洋監測網絡，用來模擬路由震蕩，對比RIP、EIGRP路由協議在該衛星網絡中的協議收斂時間。當網絡中一條路由信息失效時，EIGRP路由協議僅需10幾秒就完成收斂，RIP協議則需要100多秒才完成收斂；當網絡中新增一條路由信息時，EIGRP和RIP協議的收斂時間差別不大。由于在基于透明轉發衛星的網絡中很少存在備份路由，因此，EIGRP協議在收斂速度上的優勢(某條路由失效后，快速找到備份路由)并不能充分發揮作用。

圖5 RIP協議與EIGRP協議收斂時間對比

由上述仿真結果和適應性分析可知，在該仿真場景中，OSPF、EIGRP協議的路由開銷過大，且隨著網絡節點數目的增加，路由協議開銷會成指數性增長，對路由器的處理能力、存儲能力，以及衛星帶寬資源要求較高。而RIP協議采用水平分割技術后，只將與自己直接相連的網絡的路由信息廣播出去，協議開銷要小得多，且對路由器的性能要求不高，因此，更加適合在本文所研究的場景中應用。

5 結束語

本文對海洋監測異構網絡中的路由策略進行了研究，主要對IP路由協議自主選路的路由策略進行適應性分析和仿真驗證，對比了RIP、OSPF、EIGRP路由協議的協議開銷和收斂時間，提出將RIP協議作為海洋監測異構網絡的IP路由協議。該協議能夠支持高效統一的異構互連，降低網絡中協議開銷，提高網絡中數據帶寬利用率，更加適用于海洋監測異構網絡。

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