短波自组网路由协议驱动方式研究

宋宝华   杨平
 
 
摘 要：自 组网路由协议可依驱动方式分为表驱动和按需驱动，这两种驱动方式的路由协议各有其优缺点。本文对这两类路由协议的路由发现延迟、路由开销、网络吞吐量等性 能进行了对比分析，并结合短波自组网在网络中心战体系中所处的层次和主要应用对性能的需求，分析了适应于短波自组网的路由驱动方式。
关键词：短波 自组网 按需驱动路由 表驱动路由　MIL-STD-188-141B
Research on Routing Driving Way of HF MANET
Song Bao-hua, Yang Ping
Abstract: There are two kinds of routing protocol for MANET, one is table-driven, another is on demand driven.The two kinds of protocol show different performance in routing discovery delay, routing overhead and data throughput etc. This paper comprises their performance, and analysis the type adapted to HF MANET according to the level to which HF MANET belongs in network centric warfare architecture.
Keywords: HF (short wave), Mobile Ad-hoc Networks (MANET), On-demand driven routing, table driven routing, MIL-STD-188-141B

1.引言

自组网(Mobile Ad-hoc Networks)[1]是 一种不依赖于固定基础设施，能快速、简单组网的临时自治系统，适宜于军事行动、抢险救灾等特点场合的应用。在组网的物理信道方面，短波通信因其具有的良好 抗毁性而成为军事远距离通信的重要手段。短波和自组网技术的结合就产生了短波自组网。短波自组网是以短波信道作为物理介质的自组网。路由协议是短波自组网 组网技术的核心，短波自组网节点之间需通过多跳数据转发机制进行数据交换，每个节点都可能充当其它节点的路由器。无线信道质量的不规则变化，节点的移动、 加入和退出等均会引起网络拓扑结构的动态变化。路由协议的作用就是在这种环境中，监控网络拓扑结构的变更，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和 选择路由，提供网络的连通性。路由是短波数字电台得以互相通信的基础。
为满足不同拓扑结构、不同规模网络对路由协议的不同需求，在尽可能减小路由算法对信道占用开销的前提下，美国军标MIL-STD-188-141B[2]定义了几种不同的路由协议，其中包括源路由、结合中继管理（HRMP）的静态路由、基于连接交换（CONEX）的自适应路由等。但是该军标并未对自适应路由的驱动方式、选径标准和具体算法等一系列问题进行深入的论述，国内外也极少有关于短波路由协议的研究成果发表。为适应高科技信息战争的需 要，我国也急需在此方面展开深入的研究。自组网路由协议可依驱动方式分为表驱动和按需驱动，这两种驱动方式的路由协议各有其优缺点。本文对这两类路由协议 的路由发现延迟、路由开销等性能进行了分析，并结合短波自组网在网络中心战体系中所处的层次和主要应用对性能的需求，分析了适应于短波自组网的路由驱动方 式。

2.路由驱动方式与路由性能的关系

评价路由协议性能的主要参数有路由发现延迟、路由开销、网络吞吐量、包时延等。
路 由发现延迟是指源节点获取一个新的到达目的节点的路由所需的时间。表驱动路由协议由于一直在主动地、预测性地、不断地、周期性地进行路由发现和维护，因而 其平均路由发现延迟几乎没有或非常小。而按需路由协议则不同，它并不进行预测性的路由发现，只是在需要路由时才去被动寻找路径，因而在传输第一个报文的开 始，可能没有预先准备好的路径，因而需要花费时间进行路径发现。按需驱动路由协议的路由发现延迟要高于表驱动路由协议。
而在路由开销、网络的吞吐性能方面，按需驱动路由和表驱动路由协议也存在较大差异。文献[3]对比了表驱动的DSDV(Destination Sequenced Distance Vector Routing) [4]和按需驱动的AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing) [5]、TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm) [6]、DSR(Dynamic Source Routing) [7]四种路由协议的性能，而文献[8]则对比了表驱动的DBF(Distributed Bellman-Ford)和按需驱动的DSR、ABR(Associativity Based Routing) [9]路由协议的性能。
在路由协议开销方面，文献[3]的仿真结果显示，在网络拓朴变更的情况下，表驱动的DSDV协议的路由开销基本不变。在拓朴变更不明显的情况下，按需驱动的DSR、AODV、TORA协议的路由开销远小于表驱动的DSDV协议。文献[8]的仿真结果也显示按需驱动的DSR、ABR路由协议的开销也远小于表驱动的DBF协议（可高达78.91%）。
在报文发送率方面，表驱动DSDV路由协议的开销随着节点运动的加快虽基本保持不变，但在拓朴变更加快的情况下，无法及时收敛，从而造成大量的不可靠路由和路由环，引起丢包。文献[3]的仿真结果给出的DSDV、AODV、TORA、DSR四种协议的报文发送率对比证明了这一点。当拓朴变更剧烈时，DSDV的报文发送率急剧下降，此时按需驱动的路由协议仍表现较好。
在网络的吞吐性能方面，文献[8]的仿真结果显示，归因于表驱动路由协议路由开销所占用的额外信道带宽，采用表驱动路由协议的网络的整体吞吐性能低于采用按需驱动路由协议的网络。
在报文发送端到端时延和单跳时延方面，文献[8]的结果显示，按需驱动的ABR、DSR性能要优于表驱动的DBF。单跳时延包括三部分：排队等待时间、发送时间（报文比特数/网络传输带宽）、传播时间（在物理媒介中传播的时间）。虽然DBF和ABR、DSR的发送时间及传播时间均相等，但是DBF协议的平均包端到端时延及平均单跳时延都比ABR、DSR大。这是因为DBF包含更大的路由开销，有更多的路由包参与了节点发送队列的排队，以至于有效数据包需要等待更长的排队时间才能获得发送机会。
由此可见，按需驱动路由协议除路由发现延迟高于表驱动路由协议外，路由开销、网络吞吐量、包时延等性能均高于表驱动路由协议。

3.短波自组网应用对路由性能的要求

短波自组网应该归为网络中心战[10]体系的一部分。所谓网络中心战（NCW：network centric warfare），是指通过战场各个作战单元的网络化，把信息优势变为作战优势，使各分散配置的部队共同感知战场态势，协调行动，从而发挥最大作战效能的作战样式。
图1 网络中心战体系结构
如图1，网络中心战的作战结构由三级可互操作的作战网络组成。第一级是联合监视跟踪网络，使用像CEC 这样的系统网络，用户数量在24 个之内，信息传输时间为亚秒级，信息精度达到武器控制质量；第二级为联合战术网络，使用11 号数据链、16 号数据链、联合战术信息发布系统（JTIDS）等，系统网络用户数量在500个之内，主要用于传送和显示目标位置航向航速、目标识别数据和指挥命令等，战术数据信息传输时间为秒级精度，达到部队控制要求；第三级为联合计划网络运用IT-21（Information Technology for the 21st Century）、 舰队海上内部网（NMCI， Navy Marine Corps Intranet）、海军与海军陆战队陆上内部网、全球指挥控制系统（GCCS）等网络，用户数量在1000 个之内，是一个多媒体信息网络，可向海上、岸上的所有舰艇和指挥机构提供文本、图形、图像等信息，信息传输时间为几分钟精度，达到决策制定和部队协同要求。
短波自组网由于其自身物理信道条件受限的原因，不适宜用作实时作战指挥信息的传输，其应用范围则定位为非实时的数据业务，如后勤保障、军需物资调度、日常通信手段，它处于网络中心战体系的外围，要求的信息传输时间级别为分钟级。其中最重要的应用协议是HF email。广泛应用于Internet上的e-mail业务，采用存储转发机制和非实时传输模式，对带宽和信道质量的要求不高，在HF信道上容易实现，因而得到普遍的欢迎，成为HF网络的一个最重要应用。HF e-mail的传输可以发生在海上舰船之间、岸-船之间以及短波通信网与Internet之间。
第一级的CEC武 器协同网和第二级的联合战术网络则运行较单一的应用，这些应用里往往单个报文较短，而一个报文就包含了一条完整的作战指挥、航迹等信息。而短波自组网中往 往大量的报文组成一个完整的应用。一、二级的网络以一条报文包含一完整的作战信息，因而强调每一条报文的传输时延，一条传输延迟超过deadline的报文与没有被传输没有区别。而在短波自组网中，并不追求每一条报文都能实时传输，而更加强烈系统的整体吞吐性能。
由此可知，短波自组网对路由协议的性能要求为：
(1)应用于非实时业务，可以容忍某单一报文的较大传输延迟；追求尽可能小的路由开销。
(2)短波信道带宽很低，如果路由开销大，则数据传输的有效带宽会更小；
(3)追求整体网络吞吐性能的最高。整体吞吐性能的提高意味着在同样的时间里可以传输更多的有效数据报文，可以提供网络的容量，使网络承载更多的业务。

4.短波自适应路由的按需驱动

由于短波自组网不强调单一报文的实时传输，因而其可以等待业务的第一条报文传输前的较大路由发现延迟。而其又追求路由开销尽可能小、网络吞吐量尽可能大，根据第2节的分析，可以看出，按需驱动路由协议的这些性能表现优于表驱动路由协议，因而按需触发更适合短波自组网。
由此，短波自组网的按需驱动路由触发机制描述可见表1。
在表1所描述的路由触发机制中，源节点S在需要传输报文给目的节点时，启动一个路由发现过程。同时它启动路由发现定时器（DiscoveryTimer），此定时器用于等待路由发现的延迟，当此定时器到期后（发生OnDiscoveryTimer事件），源节点将从发现的N条路径中选取最优的一条路径。但是如果此时仍未找到任何一条路由，则节点S需启动一个重新寻径定时器（RepeatDiscoveryTimer）。到此定时器到期后（发生OnRepeatDiscoveryTimer事件），源节点将再次启动到达目的节点的路由发现过程。
表1 短波自组网路由协议的按需驱动
-----------------------------------
路由发现：
IF 节点S欲给节点D发送报文 THEN
   IF 节点S没有到达D的路由
      节点S启动路由发现超时定时器DiscoveryTimer
      节点S发起到节点D的路由发现过程
   ELSE
      节点S给节点D发送报文
   END IF
END IF
路由发现超时定时器触发：
OnDiscoveryTimer()
IF 发现N条S到D的链路 THEN
   从这N条路径中选取最优路径
   S以最优路径给D发送报文
ELSE
   启动重新寻径定时器RepeatDiscoveryTimer
END IF
重新寻径定时器触发：
OnRepeatDiscoveryTimer（）
再次启动路由发现过程

5.总结

自 组网路由协议可依驱动方式分为表驱动和按需驱动，这两种驱动方式的路由协议各有其优缺点。大量仿真结果显示，按需驱动路由协议除路由发现延迟高于表驱动路 由协议外，路由开销、网络吞吐量、包时延性能均高于表驱动路由。由于短波自组网在网络中心战体系中位于分钟级的非实时性业务，它不强烈单一报文的实时传 输，而更追求网络整体的吞吐性能，按需驱动更适合短波自组网路由协议。

参考文献

[1]IETF MANET workgroup. IETF Mobile ad hoc network charter. [url]http://www.ietf.org/html[/url] charter/manet-charter
[2]US Military Standard.MIL-STD-188-141B, Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems. 1999
[3]Josh Broch, David A. Maltz, David B. Johnson et al. A Performance Comparison of Multi-Hop Wireless Ad Hoc Network Routing Protocols. in: Proceedings of the 4th annual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking, 1998. 85~97
[4]Charles E. Perkins, Pravin Bhagwat. Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers. In: Proceedings of the conference on Communications architectures, protocols and applications. London, UK. 1994. New York: ACM Press, 1994. 234~244
[5]Charles E. Perkins, Elizabeth M. Royer. Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing. in:2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, February 1999.90~100
[6]Vincent D. Park , M. Scott Corson. The Temporally-Ordered Routing Algorithm (TORA). IETF MANET Working Group, Internet-draft, corson-draft-ietf-manet-tora-spec-00.txt, Nov 1997
[7]D.B. Johnson, D.A. Maltz. Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks. Mobile Computing, edited by Tomasz Imielinski and Hank Korth, chapter 5, 153~181, Kluwer Academic Publishers, 1996
[8]Sung-Ju Lee and Mario Gerla. A simulation study of table-driven and on-demand routing protocol for mobile ad hoc networks .IEEE Network. July/ August 1999 ,48 ~54.
[9]C-K. Toh.Associativity-based routing for ad-hoc mobile networks. Wireless Pers. Commun.,Mar 1997,4(2):1~36
[10] 梁振兴 . 军事电子信息技术出现新的发展情势 , 将适应军事转型和网络中心作战的需求 . 中国电子学会产业战略研究分会第 11 届年会论文集 .2004,27~40