0 概述

战术通信网是数字化战场的通信网络, 自20世纪90年代出现以来, 受到各国军队的高度重视, 战术通信网的通信质量直接关系到作战信息和作战指令的准确传递^[1]。路由协议决定了数据的转发路径, 路径的优劣直接影响整个网络的效率, 针对不同的网络选择合适的路由协议可以使通信延时更短, 通信质量和网络效率更高。与民用网不同, 战术通信网是有线和无线混杂的异构性网络, 而且战场环境比民用网应用环境恶劣, 通信受到的干扰较多, 同时战术通信网中的通信节点具有严格的层级结构, 不同层级的通信节点对通信的要求也有所不同。为使战术通信网可以更好地在战场中发挥作用, 战场通信网中路由协议的应用研究至关重要, 选择符合要求的路由协议并配置合适的相关参数可使战术通信网更好地为作战提供通信保障。

本文介绍战术通信网中路由协议的应用现状以及目前对EIGRP路由协议的研究成果, 总结战术通信网的体系结构, 针对战术通信网的网络特点建立一种应用于通信节点的逻辑模型。在此基础上, 提出EIGRP路由协议路径开销的计算方法, 并给出路径开销计算函数中各项参数的基本配置原则。

1 相关工作

互联网技术在战场上的应用与发展产生了现代信息战中的一个重要战场信息传输网络, 即战术通信网。自数字化战场的概念被提出以后, 多国(如法国、德国、英国、荷兰和加拿大)都制定了相应的数字化部队研究计划^[2]。美国从上世纪90年代初期开始进行战术互联网研究。在“九五”和“十五”期间, 我国数字化战场建设的各项预先研究工作陆续展开, 国内各科研单位参考美军战术互联网, 结合我国实际情况对战术互联网关键技术进行了大量的研究。

文献[3]对比研究了AODV和DSR 2种按需路由协议在战术通信网中的性能表现, 结果表明, 在一个较大的通信范围内, 节点的移动对这2种路由协议都有一些影响, 但总体而言, DSR路由协议相比AODV路由协议更稳定。文献[4]对战术通信网的体系结构进行探讨, 得出战术通信网的性能与网络的体系结构有很大关系, 文中分别分析了快速配置的蜂窝移动网络、移动网格网络、移动分级陆地网络和空中中继系统, 提出一种结合民用通信设施的战术网络结构, 并介绍如何通过建模的方法来得到最终的设计方案。文献[5]归纳总结OSPF路由协议并分析了该协议的路由开销。

EIGRP是Cisco公司设计的一种实现链路状态协议和距离矢量协议最佳性能的动态路由协议。自1992年以来, EIGRP路由协议被广泛应用于各种中型和大型网络中。EIGRP使用扩散更新算法(Diffusion Update Algorithm, DUAL)来计算最佳路径, 极大地减少了路由收敛时间并保证了路由无环^[6]。同时, EIGRP的备份路由策略使得网络发生故障时的平均收敛时间很短。对于战场通信而言, 遭遇突发事故时的网络恢复极其重要, EIGRP路由协议在寻找最佳路由时除最佳路径外会存储1条或2条备份路由, 当最佳路由发生故障时会迅速切换至备份路由, 切换时间不足1 s, 只有当所有路径均不可用时才会重新计算路由, 这使得整个网络更加稳定, 减少了网络的震荡^[7-8]。

虽然在2013年以前EIGRP协议一直是Cisco公司的私有化协议, 但是对EIGRP的研究探讨早在十几年前就已经开始。EIGRP路由协议的表现与预期相同, 其在中等规模的网络中实现了无环保证和快速收敛^[9-11]。在战场环境下, EIGRP是比OSPF协议更有效的一种路由协议, EIGRP的收敛性比OSPF快近2倍并且峰值流量减少了50%, 平均端到端延时比OSPF减少了20%, 异常情况下对数据的响应时间也明显少于OSPF^[12-13]。由于EIGRP路由协议使用的DUAL算法在路由丢失时存有备份路由, 因此EIGRP的丢包数量相较于OSPF明显减少^[14-16]。文献[17]研究表明, RIP协议不适用于战场环境, 这是由其自身特性决定的, 例如, RIP以跳数作为路由度量的标准, 不能准确地反映路径属性, 此外, 每个路由器间隔30 s发送一次更新, 以此来发现邻居并维护相邻性, 而且一条路由被声明作废的时间为180 s, 因此, RIP对网络拓扑变化不敏感。而IGRP同样因为其特性不适用于战场环境, 例如, IGRP周期性地发送更新信息以发现邻居并维护相邻性, 默认时间间隔为90 s, 并且IGRP不支持CIDR和路由积累, 因此, IGRP对网络拓扑变化并不敏感, 而且网络更新也占用了一定的带宽, 带宽利用率较低。

由于EIGRP路由协议开放较晚, 而OSPF路由协议标准化强、支持厂家多、应用广泛, 因此对OSPF协议在各种场景下的应用研究较多。目前, 对EIGRP路由协议进行研究时没有将其与战术通信网的具体应用场景相结合, 因此, 本文在已有对战术通信网和EIGRP路由协议分析的基础上, 进一步对EIGRP在战术通信网中的应用进行研究。

2 战术通信网结构

战术通信网的网络结构与民用网络存在很大区别, 其军队有严格的建制, 在战场上需要传输和处理大量的作战指挥信息, 不同级别的通信节点的消息传递方式以及对通信的需求不同^[18]。本文根据典型战术建制, 总结和归纳与战术建制相符合的战术通信网体系结构以及典型战术通信网络中节点的逻辑结构。

2.1 战术通信网体系结构

战场环境千变万化, 但消息传递和处理流程必须与层级结构相符合。与民用网络不同, 在战术通信网中消息并不是简单的点对点传输和处理, 而是在向上级节点传递的过程中经过每级节点的处理和汇总^[19-20]。在这种情况下, 战术通信网的网络模型也需要是层级式的, 每一层级的节点对同一层级节点、上一层级节点和下一层级节点采用不同的通信方式, 从而满足不同的通信需求。本文总结归纳战术通信网的层级结构, 如图 1所示。

在图 1中, 以团营连排四级典型战术建制为例, 节点编号表示节点在网络中所属层级, 编号为1的节点表示团级节点, 编号为1_1、1_2、1_3的节点表示营级建制, 即1团1营、1团2营、1团3营, 依次类推, 编号为1_1_2_1的节点为1团1营2连1排的战术节点。节点在网络中所属的层级清晰明了, 与层级相对应的节点编号也更加方便管理节点的通信地址等相关信息。图中实线连接的节点表示节点间通过有线网络进行通信, 其余节点用无线网络进行通信。节点编号不仅表示了节点之间的层级关系, 还表示了节点间通信的路径。管理节点的IP地址以及每个节点与同一层级、上一层级和下一层级通信端口的IP地址相互隔离, 使得节点之间可以按照规划的路径进行通信, 如节点1_1_2_1与节点1_3_3_1的通信路径为1_1_2_1→1_1_2→1_1→1_3→1_3_3→1_3_3_1。如前文所述, 战场中节点的通信不是简单的消息转发, 战术消息需要汇总处理和统筹规划, 因此, 采用此种层级结构能够有效防止网络中的消息冗余和杂乱。

2.2 战术通信网中的节点逻辑结构

战术通信网的分层式结构及网络模型决定了其节点结构, 节点需要支持与上、平、下级节点间不同速率以及不同条件的通信, 支持有线、无线相混合的模式, 支持不同的通信接口单独配置。本文提出的战术通信网节点结构如图 2所示。

在图 2所示的节点逻辑结构中, 节点的接口数量及类型可根据实际需求进行选择和配置, 节点各模块间的协同工作过程为:

1) 以太网接口和光纤接口用于和有线网络进行通信, 电台分别和不同层级的节点实现通信, 具有不同需求的通信可以采用不同的电台, 如超短波电台、短波电台、单兵电台和长波电台等。有线和无线数据链路共同与IP模块相连接, 每一个接口都配有IP地址。在由此种节点组成的战术通信网中, 路由建立过程如图 3所示。

2) 当节点开始工作后, EIGRP模块开始运行, 向外发送Hello包, 探测邻居并生成邻居表和路由表, 当有路由更新时发送Update消息给所有邻居进行路由更新。在路由建立完成后, 当应用层有数据需要发送时, 消息从应用层模块向下传递并被封装, 查看路由表找到转发接口后由该接口发出。当无法找到转发接口, 即路由表中不存在到达该目的节点的路由时, 向所有邻居发送Querry消息进行路由查询, 待路由查询完成后, 若存在到达该目的节点的路由, 则发送消息, 若没有到达该目的节点的路由, 则向上层反馈不可达信息。

3 EIGRP在战术通信网中的应用

在复杂的战术通信网中部署EIGRP路由协议需要根据网络特点进行不断优化, 以使网络性能达到最优并满足实际应用中的不同需求。了解EIGRP的参数含义及设置方法, 根据需求部署EIGRP路由协议可以使EIGRP更好地提供服务。本文根据EIGRP协议的技术特征和网络特点, 提出一种战术通信网中配置EIGRP路由协议的基本原则。

3.1 EIGRP的路径选择

多数路由协议在计算链路开销时只参照一项或两项指标且无法做出修改或调整, 如OSPF链路开销仅根据链路带宽来计算, RIP和OLSR根据跳数来计算。相较于这些计算方法采用的单一指标, EIGRP的链路开销计算公式则较为全面, 其采用由带宽、延迟、负载以及可靠性组成的复合度量值, 同时设置5个参数以供用户根据需求的变化来对度量值进行调整。EIGRP的链路开销计算公式如下:

$ {\rm{Metric}} = \\256 \times \left( {\left\{ {{K_1} \times {\rm{Bandwidth}} + \left[ {\left( {{K_2} \times {\rm{Bandwidth}}} \right)/\left( {256 \times {\rm{Load}}} \right)} \right] + \left( {{K_3} \times {\rm{Delay}}} \right)} \right\} \times \left( {{K_4}/\left( {{\mathop{\rm Re}\nolimits} {\rm{liability + }}{K_{\rm{5}}}} \right)} \right)} \right) $

其中, Bandwidth表示路径上的最小接口带宽, Delay表示路径中所有向外接口的延迟总和, Load表示负载, 取值范围为1~255, 值越大代表负载越高, Reliability表示链路可靠性, 取值范围为1~255, 值越大代表链路越可靠, K₁表示基于链路上的可用带宽来计算Metric, K₂表示通过调整最大吞吐量来模拟可用吞吐量作为接口汇报的负载度量, K₃表示基于延迟的路径选择, 使用接口提供的单向值, K₄和K₅用来计算基于丢包率和链路质量的路径选择。最高优先级的服务应该有小于1%的丢包率, 低一级数据包的丢包率应该小于5%, 再低一级数据包的丢包率应该小于10%。

当EIGRP路由协议进行路由选择时, 会使用链路开销计算公式来计算每条链路的代价, 从而选出最佳路径。EIGRP的默认参数配置为:K₁=K₃=1, K₂=K₄=K₅=0, 在这种情况下, EIGRP路由协议会根据链路的带宽和延时来计算路径开销, 表 1所示为典型接口类型对应的带宽和延时, 其中, VHF和UHF是战术通信网中常用的无线电台, FDDI是光纤分布式数据接口。

3.2 EIGRP在战术通信网中的配置

EIGRP路由协议需要根据网络特点及协议特性进行合适的配置, 其中, 需要考虑的网络特点包括网络中移动节点的数量、节点的数据传输速率、所配置网络对路径可靠性的需求以及对网络中节点负载的预估。当网络中只有少量节点需要移动时网络拓扑较为稳定, 此时不建议将链路可靠性加入路径选择依据, 因为链路质量的变化会引起路径选择的反复计算, 可能会导致网络无法收敛或网络不断动荡等情况。而当网络中有大量节点需要移动时, 这时可视实际需求对可靠性参数进行配置, 另外还需预估网络负载情况。本文提出的为战术通信网配置EIGRP路由协议的流程如图 4所示, 其中考虑了战场网络的多种情况, 并针对每种情况根据EIGRP各项参数的功能给出配置方法, 相较于默认配置方法, 该方法可以提高战术通信网的性能, 也可以使网络通信满足不同的环境需求。

从图 4可以看出, 根据网络特点能够得出EIGRP路由协议的参数配置范围, 在进行配置时有以下3项基本原则需要遵守:

1) 链路带宽不能随意修改, 因为其不仅关系到路径开销计算, 还影响QoS等参数, EIGRP为了减少带宽占用会抑制EIGRP数据包的传输, 因此, 其仅会占用配置带宽的50%, 减小带宽将会引起EIGRP收敛失败等问题。

2) 延时可以随意配置, 其仅影响链路开销计算而不会影响其他参数, 延时的单位是微秒, 因此, Delay这一参数的值较大, 设置K₃时需要注意这一参数的影响。

3) 在开销计算公式中, 带宽取值为一条路径中最小的接口带宽, 在实际计算时采用的是最小带宽的倒数再乘以10⁷, 以10 Mb/s的接口为例, 其带宽计算如下:

$ 256 \times {K_1} \times {\rm{Bandwidth = 256}} \times {\rm{1}} \times {\rm{1}}{{\rm{0}}^7}/10\;000 = 256\;000 $

因此, 当数据传输速率越大时, K₁与K₃的比值应该越低。

4 实验验证

本文实验采用当前流行的OPNET软件作为仿真工具, 其具有完备的模型库和建模机制, 并且支持自定义模型开发等功能。根据上文提出的战术通信网络中节点的逻辑模型进行建模, 以3个以太网接口、4个无线电台为例建立战术通信网节点仿真模型, 如图 5所示。

4.1 EIGRP与OSPF路由协议的性能对比 4.1.1 参数设置

本次实验仿真参数设置如表 2所示, 场景中共有50个节点, 分为3级, 每个节点配有4部无线电台, 每部电台的数据传输速率为5 Mb/s。网络拓扑如图 6所示, 在网络拓扑中任意设置一个节点在仿真时间到达200 s时出现故障, 以此来观察网络拓扑的收敛时间。本次实验收集的统计量具体信息如表 3所示。

4.1.2 实验结果

在相同的仿真环境及场景下, 分别采用EIGRP和OSPF路由协议进行实验与对比, 具体如下:

1) 路由收敛时间

从图 7可以看出, 从仿真开始到第1次收敛, EIGRP所需时间是5.014 18 s, 而OSPF路由协议需要11.702 70 s, 200 s左右网络拓扑发生变化, 有节点失效, 这时EIGRP路由协议仅需0.119 92 s即可收敛, EIGRP路由协议在存储最佳路由时也会存储备份路由, 当前路由发生故障后立即将备份路由升级为最佳路由, 只有当没有备份路由时, EIGRP路由协议才会重新计算路由。OSPF的收敛时间约为EIGRP的2倍, 网络拓扑发生变化时所需的收敛时间是EIGRP路由协议的50倍。因此, EIGRP路由协议能够很好地适应网络的变化, 为用户提供一个稳定的通信环境。

2) 路由峰值流量

图 8所示为2种路由协议在仿真时间内的路由消息发送量, 从仿真开始至网络拓扑第1次收敛, 2种路由协议的路由消息发送量都达到了峰值, 而OSPF路由协议的峰值流量远大于EIGRP, 网络拓扑收敛后2种路由协议的路由消息发送量基本持平, 当出现网络节点故障时, 2种协议的路由消息发送量都会增大, 但OSPF的路由消息发送量仍大于EIGRP。因此, 当网络出现故障时, OSPF路由协议会占用更大的带宽用于网络拓扑收敛。

3) 路由表大小

图 9所示为网络拓扑中3个层级节点在仿真时间内的平均路由表大小。从图 9可以看出, 节点层级不同, 节点的路由表条目数量不同, 最低层级节点占大多数, 这些节点的路由表条目数量较小, 层级越高的节点路由表条目数量越多。OSPF协议的路由表条目数量与EIGRP路由协议相近, 但是可以看出, OSPF中层级越高的节点, 其比EIGRP节点的路由表条目数量大得越多。

4) 端到端延时

在仿真场景中选取2条数据流, 图 10所示为2条数据流分别在EIGRP协议和OSPF协议下的端到端延时变化情况。从图 10可以看出, 当数据流量较小时, OSPF路由协议的端到端延时与EIGRP路由协议基本相同。但是当流量增大以后, OSPF路由协议的延时会比EIGRP路由协议稍大, 因为OSPF路由协议的路由消息发送量比EIGRP大很多, EIGRP路由协议会控制路由包的发送使得带宽占用不会超过50%。

4.2 EIGRP不同参数配置的选路结果

为验证EIGRP的不同参数配置对选路的影响, 本文设计一组实验分别对网络中的节点配置不同的EIGRP参数, 网络拓扑如图 11所示, 共分为团营连3级结构, 设置3个连级节点与团级节点间的通信及2个营级节点间的通信。

4.2.1 参数设置

表 4所示为本次实验中网络拓扑的参数配置, 为了体现不同的参数配置对选路结果的影响, 1_1、1_2、1_3节点与1节点间的配置有所不同。表 5所示为3组实验的不同K值设置。

4.2.2 结果分析

实验结果分析如下:

1) 路径选择结果

按照表 4为网络拓扑分别配置不同的EIGRP参数并进行仿真, 所得3组实验结果如图 12~图 14所示。

第1组K值以带宽和延时作为度量进行路径选择, 连级节点→营级节点→团级节点; 第2组K值以负载、带宽和延时作为度量进行路径选择, 其中, 负载在路径选择中所占比例较高, 因此, 该连级节点仍然选择负载较轻的营级节点进行转发; 第3组K值加入了可靠性作为路径选择依据, EIGRP以链路质量和丢包率作为链路可靠性依据, 因此, 选择可靠性更高的路径。

2) 链路通信质量

EIGRP参数配置不同, 路径选择结果也不同, 链路的通信质量也有所差异。图 15所示为3组实验的延时及平均延时抖动结果, 其中, 第1组实验的延时及平均延时抖动最低, 因为节点1_1与节点1之间的数据传输速率较高且此路径是节点1_1_1到节点1之间跳数最短的路径, 第3组实验延时最高, 因为节点1_3与节点1之间的数据传输速率较低且其路径跳数较多。

图 16所示为3组实验的投递率结果, 其中, 第1组与第2组实验投递率较低, 第3组实验投递率较高, 因为第3组实验的参数配置中链路可靠性在路径选择中占比较大, 虽然第3组实验选择的路径延时较高但是其更为可靠。

5 结束语

通过分析战场环境的特点, 本文提出一种战术通信网层级体系结构, 并设计应用于战术通信网层级结构中的节点逻辑模型, 该模型能够较好地将EIGRP路由协议应用于战场环境。为使用户能够在不同的战场环境中更好地配置EIGRP路由协议, 本文提出不同情况下EIGRP路由协议参数配置的基本原则。通过OPNET仿真工具进行建模与实验, 结果表明, 相比OSPF路由协议, EIGRP路由协议在战术通信网中具有更好的性能表现。下一步将对战场环境中的通信安全问题进行深入研究。