基于OPNET的多數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)設(shè)計與仿真

操振宇

（中國電子科技集團第28研究所，江蘇南京 210007）

摘 要 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈是數(shù)據(jù)通信技術(shù)在軍事方面的典型應(yīng)用，而組網(wǎng)技術(shù)的研究是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)工作的關(guān)鍵之一。隨著多種數(shù)據(jù)鏈的開發(fā)應(yīng)用，從而提出多數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)和互操作的問題。文章針對多數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)提出一種設(shè)計方案，并通過OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件予以驗證，仿真結(jié)果表明該方案的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈；多鏈協(xié)同；組網(wǎng)技術(shù)；OPNET

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0034-02

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈是一種按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議以無線信道為主對信息進行實時、準確、自動、保密傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通過一套標準的通信設(shè)備，將武器系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)等鏈為一體，通過信息處理、交換、分發(fā)來完成戰(zhàn)場信息共享和控制功能，以便為指揮員迅速、正確地進行指揮決策提供及時、準確的戰(zhàn)場態(tài)勢信息和實現(xiàn)全軍的情報資源共享。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著極其重要的作用，數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)是信息化戰(zhàn)爭發(fā)展的重要標志之一，數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用水平在很大程度上決定著信息化戰(zhàn)爭的水平和能力。信息化武器的一個重要特點就是武器平臺之間實現(xiàn)橫向組網(wǎng)，并融入信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達成信息資源共享，從而最大程度提高武器平臺的效能[1]。

美軍是發(fā)展和應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈最早的軍隊之一，早在20世紀50年代就開始研制點對點的單軍種數(shù)據(jù)鏈。時至今日，美軍戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展已經(jīng)達到了相當高的水平，已研制出多種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，應(yīng)用較廣泛的主要有Link-4A/4C，Link-11/1lB、Link-16以及Link-22等多種數(shù)據(jù)鏈。為了適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭的需要，各國軍隊的指揮體制將加速向“扁平化”、“網(wǎng)絡(luò)化”發(fā)展。在作戰(zhàn)控制方面，將充分利用信息技術(shù)優(yōu)勢，建立“無縫隙”的指揮控制系統(tǒng)，真正實現(xiàn)三軍互聯(lián)、互通、互操作。如美軍正在加緊建設(shè)的“全球信息柵格（GIG）”，旨在實現(xiàn)全球范圍的信息優(yōu)勢，即在正確的時間，將正確的信息以正確的形式安全可靠地傳送給正確的接收者，同時壓制敵方謀求同樣能力的企圖。

隨著數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的迅猛發(fā)展，多種型號的數(shù)據(jù)鏈被研制開發(fā)運用到武器作戰(zhàn)裝備，同時使用多種數(shù)據(jù)鏈，可以起到取長補短、互為備份和提高抗毀性的作用。這就使得多種數(shù)據(jù)鏈并存和綜合應(yīng)用成為一種必然，從而提出多數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)和互操作的問題[2][3]。多數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、自動路由以及鏈路的配置與控制等[4]。文獻[5]對多種數(shù)據(jù)鏈綜合分析了技術(shù)難度以及解決途徑。隨著“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”作戰(zhàn)理念的提出，各種數(shù)據(jù)鏈之間實現(xiàn)協(xié)同互聯(lián)和互操作的要求日益凸現(xiàn)，本文針對多數(shù)據(jù)鏈綜合組網(wǎng)提出一種方案，并利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對其進行仿真驗證，仿真結(jié)果表明該方案能較好地解決多鏈協(xié)同互聯(lián)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由等問題。

1 多類型數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)設(shè)計

本文假定的聯(lián)合作戰(zhàn)背景條件下，整個戰(zhàn)場配置了多種類型的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈；同時，支持地面指揮中心、預(yù)警機、衛(wèi)星、作戰(zhàn)飛機等多種類型的節(jié)點。每種節(jié)點針對實際需求所支持的數(shù)據(jù)鏈，配置了完備的節(jié)點模型庫，使得每種數(shù)據(jù)鏈均有至少一類節(jié)點支持；每種節(jié)點至少支持一種數(shù)據(jù)鏈。其中，中心節(jié)點（例如預(yù)警機、地面指揮中心）支持多種數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、多鏈綜合等功能。為增強系統(tǒng)的抗毀性和可靠性，對于應(yīng)用層產(chǎn)生的不同應(yīng)用數(shù)據(jù)類型，采用多數(shù)據(jù)鏈配置的方式，提供備份配置。

由于中心節(jié)點支持多種數(shù)據(jù)鏈類型，組網(wǎng)時本文提出多數(shù)據(jù)鏈、多IP的設(shè)計方式：為了識別每一種型號的數(shù)據(jù)鏈，網(wǎng)絡(luò)層不再給每個節(jié)點分配一個IP地址，而是針對每個節(jié)點所支持的每種數(shù)據(jù)鏈各分配一個IP地址，并且節(jié)點支持的每種數(shù)據(jù)鏈各自維護一張本類型數(shù)據(jù)鏈的鄰居表，即每種數(shù)據(jù)鏈各自組成一個子網(wǎng)，而中心節(jié)點則位于不同數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)之間的交點，如圖1所示。有了IP地址和鄰居表，單個數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)內(nèi)的信息傳遞即可按照普通的TCP/IP協(xié)議來完成；如果信息要在不同的數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)之間轉(zhuǎn)發(fā)，則需要中心節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)鏈的配置規(guī)則進行相應(yīng)數(shù)據(jù)鏈之間的切換。

圖1 多數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)方案示意圖

考慮到實際的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不會很大，節(jié)點數(shù)約為幾十個，網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議采用最短路徑路由協(xié)議，每個節(jié)點的每種數(shù)據(jù)鏈都維護各自的鄰居表，該表的結(jié)構(gòu)為：

鄰居節(jié)點ID 鄰居中繼優(yōu)先級 最近一次更新時間

為實現(xiàn)最短路徑，即總跳數(shù)最少，本文給每一類節(jié)點均設(shè)計了節(jié)點的中繼優(yōu)先級參數(shù)。該參數(shù)是指，當信息需要轉(zhuǎn)發(fā)時，選擇中繼節(jié)點的先后順序。節(jié)點的中繼優(yōu)先級越高，越優(yōu)先選擇該節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。本文中幾種類型的節(jié)點，集成了多種鏈路的中心節(jié)點的優(yōu)先級最高，因此，大多數(shù)情況下都是由中心節(jié)點來中繼轉(zhuǎn)發(fā)消息，從而減小消息發(fā)送的總跳數(shù)。此外，鄰居表具有一定的時效性，當收到同一節(jié)點ID的路由消息時，總是更新最近一次的消息；如果超過一定時間還未收到某節(jié)點的消息，則在鄰居表中刪除該節(jié)點，表明該節(jié)點已失效或者已退網(wǎng)。

網(wǎng)絡(luò)層以下仍舊采用常見的處理方式，MAC層使用TDMA方式接入，給每個節(jié)點分配相應(yīng)的時隙，時隙分配策略采用輪詢機制，只有到本節(jié)點的時隙，才可以發(fā)送數(shù)據(jù)；物理層使用無線收發(fā)機組和全向天線來收發(fā)數(shù)據(jù)。

2 OPNET仿真驗證

為驗證上述方案，本文使用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件設(shè)計相應(yīng)的仿真場景予以驗證。OPNET是一款廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)建模和仿真工具，具有先進的建模機制、完備的模型庫、完善的外部接口等優(yōu)點。OPNET采用離散事件驅(qū)動仿真，提供了三層建模機制[6]：最上層為網(wǎng)絡(luò)層，反映網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)；中間層為節(jié)點層，由相應(yīng)的功能模塊構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最底層為進程層，用有限狀態(tài)機（FSM）來描述通信的各個狀態(tài)。OPNET還允許用戶使用有限狀態(tài)機自行開發(fā)協(xié)議，并提供了豐富的類C語言庫函數(shù)[7]，可以方便地實現(xiàn)復(fù)雜的協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中常用的仿真平臺。endprint

多數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)設(shè)計的關(guān)鍵在于集成了多種類型數(shù)據(jù)鏈的中心節(jié)點功能的設(shè)計和實現(xiàn)，而預(yù)警機節(jié)點是支持多種鏈路并且中繼優(yōu)先級較高的中心節(jié)點，因此本文以預(yù)警機節(jié)點為例，介紹數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、多鏈集成與控制、路由等功能的設(shè)計與實現(xiàn)。

2.1 節(jié)點建模

預(yù)警機節(jié)點的節(jié)點模型如圖2所示。

圖2 預(yù)警機節(jié)點模型

形式上參考了網(wǎng)絡(luò)分層體系，采用層次化設(shè)計，主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層、物理層等四層。從上到下，首先是Application Layer，該層主要用于簡單模擬應(yīng)用層的功能，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層所需要發(fā)送的包含各種應(yīng)用、優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，并且接收網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，對統(tǒng)計量進行統(tǒng)計。Network Layer為本仿真的核心部分，完成多項重要功能。比如在組網(wǎng)階段，參與完成網(wǎng)絡(luò)的組建；在入網(wǎng)階段，實現(xiàn)新結(jié)點的入網(wǎng)；在正常通信階段，完成鄰居表的更新和維護等任務(wù)。從數(shù)據(jù)流向看，該層起到承上啟下的作用，將應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)增加IP頭之后交給MAC層，同時將MAC層傳來的數(shù)據(jù)包去掉IP頭之后，發(fā)送給應(yīng)用層。MAC Layer，該層主要功能在于產(chǎn)生時隙，簡單的模擬以TDMA工作方式收發(fā)數(shù)據(jù)。PHY Layer，該層模擬的是物理層的功能，包括一組無線收發(fā)機和一個全向天線，用以收發(fā)數(shù)據(jù)。

從圖2可見，預(yù)警機節(jié)點支持四種類型的數(shù)據(jù)鏈，在每種數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)層模塊（ip）的臨近，各有一個路由管理模塊（rte_mgr），該模塊實現(xiàn)了各鏈路網(wǎng)絡(luò)層鄰居表的創(chuàng)建、維護、查找、刪除等功能，當消息需要轉(zhuǎn)發(fā)時，在鄰居表中查詢中繼節(jié)點，給出下一跳節(jié)點的ID號，完成路由功能。

本節(jié)點模型突出的設(shè)計是在應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間增添了一個仲裁（arbitrator）模塊，該模塊實現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)鏈的集成與管理功能：根據(jù)上層不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)類型，予以不同的數(shù)據(jù)鏈配置；如果消息需要在不同種類的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)，則根據(jù)目標節(jié)點支持的數(shù)據(jù)鏈種類，選擇相對應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈類型發(fā)送。

2.2 進程建模

進程模型通過有限狀態(tài)機（FSM）的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（STD）來支持節(jié)點各功能的實現(xiàn)，用戶可根據(jù)實際需求自行編寫進程模型。下面詳細介紹上節(jié)重點分析的兩個模塊rte_mgr和arbitrator的進程模型。

rte_mgr是路由管理模塊，實現(xiàn)對鄰居表的管理和維護，上層待發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達這個模塊，都會根據(jù)目的節(jié)點和鄰居表給出下一跳節(jié)點的ID號，對數(shù)據(jù)的走向起到引導(dǎo)作用；或者當消息需要多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)時，則根據(jù)鄰居表給出中繼節(jié)點的ID號。

該進程模型主要功能為，根據(jù)收到的不同數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的處理：例如定期檢查鄰居表狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點需定期發(fā)送keepalive消息以通知鄰居節(jié)點本節(jié)點的存在，用以維護相應(yīng)數(shù)據(jù)鏈的鄰居表，本節(jié)點定期（本文設(shè)為300秒，可根據(jù)需要靈活設(shè)置）檢查，如果未收到該節(jié)點的keepalive消息，則認為該節(jié)點已失效或者已退網(wǎng)，在鄰居表中刪除該節(jié)點；查詢和維護鄰居表狀態(tài)，如果收到的是節(jié)點的入網(wǎng)退網(wǎng)消息，則對鄰居表進行加入和刪除操作，若收到的是需要發(fā)送的消息，則查詢鄰居表，給出下一跳節(jié)點的ID號。

鄰居表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為：

#define MAX_ROUTES 32

typedef struct {

int neighbour_node_id；

int relay_priority；

double record_time；

} my_Route；

my_Route RoutingTable[MAX_ROUTES]；

neighbour_node_id為鄰居節(jié)點的ID號，是識別節(jié)點的重要信息；relay_priority為節(jié)點的中繼優(yōu)先級，當轉(zhuǎn)發(fā)消息時，盡量發(fā)往中繼優(yōu)先級高的節(jié)點，也就是集成了多種數(shù)據(jù)鏈的中心節(jié)點；record_time記錄了當前維護進鄰居表的時間，用來表明該條路由信息的時效性。

arbitrator模塊是實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)鏈集成與管理的核心模塊，該進程的主要功能是根據(jù)不同的上層應(yīng)用數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈傳輸，完成中心節(jié)點集成管理多種數(shù)據(jù)鏈的任務(wù)。

實現(xiàn)選擇切換數(shù)據(jù)鏈功能的函數(shù)原型為：

static int first_link（int data_type）； //首選配置鏈路

static int secondary_link（int data_type）； //次選配置鏈路

static int last_link（int data_type）； //最末配置鏈路

static Boolean is_support_this_link（int node_id ， int data_link）；//是否支持鏈路

前3個函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈的首選配置以及備份配置，第4個函數(shù)則是用來判斷某個節(jié)點是否支持某種數(shù)據(jù)鏈，若源節(jié)點和目標節(jié)點均支持該種數(shù)據(jù)鏈，則用該數(shù)據(jù)鏈發(fā)送消息。

2.3 仿真場景與結(jié)果分析

仿真場景的想定為，衛(wèi)星節(jié)點欲通過A數(shù)據(jù)鏈向作戰(zhàn)飛機節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而作戰(zhàn)飛機只支持B、C兩種數(shù)據(jù)鏈，不支持A鏈，因此，需要中心節(jié)點中繼轉(zhuǎn)發(fā)并切換傳輸鏈路：衛(wèi)星先通過A鏈與中繼節(jié)點通信，然后中繼節(jié)點再根據(jù)B、C鏈的優(yōu)先級選擇一條鏈路向作戰(zhàn)飛機傳輸數(shù)據(jù)。想定中中心節(jié)點有兩種：地面指揮中心節(jié)點和預(yù)警機節(jié)點。由于地面指揮中心的中繼優(yōu)先級最高，因此，當指揮中心在網(wǎng)內(nèi)時，信息將由指揮中心中繼；當某一時刻指揮中心退網(wǎng)后，此后的信息將由預(yù)警機負責(zé)中繼。

仿真過程中衛(wèi)星節(jié)點的鄰居表如圖3所示，對比左右兩幅圖可以看出，當指揮中心（ID號10000）退網(wǎng)之后，衛(wèi)星的鄰居表中便沒有指揮中心（10000）了。圖4是衛(wèi)星節(jié)點前后發(fā)送的數(shù)據(jù)包內(nèi)容比較，最初指定中繼優(yōu)先級最高的地面指揮中心（10000）中繼，當指揮中心退網(wǎng)后，由于衛(wèi)星的鄰居表里沒有指揮中心，于是便指定下一個中繼節(jié)點預(yù)警機（20100）中繼。仿真結(jié)果與場景設(shè)計分析的結(jié)果一致。

3 結(jié)束語

多數(shù)據(jù)鏈綜合組網(wǎng)應(yīng)用是一個相當復(fù)雜的工程，本文提出了一種基于多IP地址分配實現(xiàn)各類型數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)的實用方案，并利用仿真軟件設(shè)計仿真場景予以驗證，仿真結(jié)果表明，該方案具有一定的可行性和工程應(yīng)用價值，可為進一步的研究工作奠定基礎(chǔ)。

圖3 衛(wèi)星節(jié)點的鄰居表對比

圖4 衛(wèi)星節(jié)點選擇中繼節(jié)點策略的變化

參考文獻

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[7]陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].清華大學(xué)出版社，2004.endprint

多數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)設(shè)計的關(guān)鍵在于集成了多種類型數(shù)據(jù)鏈的中心節(jié)點功能的設(shè)計和實現(xiàn)，而預(yù)警機節(jié)點是支持多種鏈路并且中繼優(yōu)先級較高的中心節(jié)點，因此本文以預(yù)警機節(jié)點為例，介紹數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、多鏈集成與控制、路由等功能的設(shè)計與實現(xiàn)。

2.1 節(jié)點建模

預(yù)警機節(jié)點的節(jié)點模型如圖2所示。

圖2 預(yù)警機節(jié)點模型

形式上參考了網(wǎng)絡(luò)分層體系，采用層次化設(shè)計，主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層、物理層等四層。從上到下，首先是Application Layer，該層主要用于簡單模擬應(yīng)用層的功能，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層所需要發(fā)送的包含各種應(yīng)用、優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，并且接收網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，對統(tǒng)計量進行統(tǒng)計。Network Layer為本仿真的核心部分，完成多項重要功能。比如在組網(wǎng)階段，參與完成網(wǎng)絡(luò)的組建；在入網(wǎng)階段，實現(xiàn)新結(jié)點的入網(wǎng)；在正常通信階段，完成鄰居表的更新和維護等任務(wù)。從數(shù)據(jù)流向看，該層起到承上啟下的作用，將應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)增加IP頭之后交給MAC層，同時將MAC層傳來的數(shù)據(jù)包去掉IP頭之后，發(fā)送給應(yīng)用層。MAC Layer，該層主要功能在于產(chǎn)生時隙，簡單的模擬以TDMA工作方式收發(fā)數(shù)據(jù)。PHY Layer，該層模擬的是物理層的功能，包括一組無線收發(fā)機和一個全向天線，用以收發(fā)數(shù)據(jù)。

從圖2可見，預(yù)警機節(jié)點支持四種類型的數(shù)據(jù)鏈，在每種數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)層模塊（ip）的臨近，各有一個路由管理模塊（rte_mgr），該模塊實現(xiàn)了各鏈路網(wǎng)絡(luò)層鄰居表的創(chuàng)建、維護、查找、刪除等功能，當消息需要轉(zhuǎn)發(fā)時，在鄰居表中查詢中繼節(jié)點，給出下一跳節(jié)點的ID號，完成路由功能。

本節(jié)點模型突出的設(shè)計是在應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間增添了一個仲裁（arbitrator）模塊，該模塊實現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)鏈的集成與管理功能：根據(jù)上層不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)類型，予以不同的數(shù)據(jù)鏈配置；如果消息需要在不同種類的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)，則根據(jù)目標節(jié)點支持的數(shù)據(jù)鏈種類，選擇相對應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈類型發(fā)送。

2.2 進程建模

進程模型通過有限狀態(tài)機（FSM）的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（STD）來支持節(jié)點各功能的實現(xiàn)，用戶可根據(jù)實際需求自行編寫進程模型。下面詳細介紹上節(jié)重點分析的兩個模塊rte_mgr和arbitrator的進程模型。

rte_mgr是路由管理模塊，實現(xiàn)對鄰居表的管理和維護，上層待發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達這個模塊，都會根據(jù)目的節(jié)點和鄰居表給出下一跳節(jié)點的ID號，對數(shù)據(jù)的走向起到引導(dǎo)作用；或者當消息需要多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)時，則根據(jù)鄰居表給出中繼節(jié)點的ID號。

該進程模型主要功能為，根據(jù)收到的不同數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的處理：例如定期檢查鄰居表狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點需定期發(fā)送keepalive消息以通知鄰居節(jié)點本節(jié)點的存在，用以維護相應(yīng)數(shù)據(jù)鏈的鄰居表，本節(jié)點定期（本文設(shè)為300秒，可根據(jù)需要靈活設(shè)置）檢查，如果未收到該節(jié)點的keepalive消息，則認為該節(jié)點已失效或者已退網(wǎng)，在鄰居表中刪除該節(jié)點；查詢和維護鄰居表狀態(tài)，如果收到的是節(jié)點的入網(wǎng)退網(wǎng)消息，則對鄰居表進行加入和刪除操作，若收到的是需要發(fā)送的消息，則查詢鄰居表，給出下一跳節(jié)點的ID號。

鄰居表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為：

#define MAX_ROUTES 32

typedef struct {

int neighbour_node_id；

int relay_priority；

double record_time；

} my_Route；

my_Route RoutingTable[MAX_ROUTES]；

neighbour_node_id為鄰居節(jié)點的ID號，是識別節(jié)點的重要信息；relay_priority為節(jié)點的中繼優(yōu)先級，當轉(zhuǎn)發(fā)消息時，盡量發(fā)往中繼優(yōu)先級高的節(jié)點，也就是集成了多種數(shù)據(jù)鏈的中心節(jié)點；record_time記錄了當前維護進鄰居表的時間，用來表明該條路由信息的時效性。

arbitrator模塊是實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)鏈集成與管理的核心模塊，該進程的主要功能是根據(jù)不同的上層應(yīng)用數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈傳輸，完成中心節(jié)點集成管理多種數(shù)據(jù)鏈的任務(wù)。

實現(xiàn)選擇切換數(shù)據(jù)鏈功能的函數(shù)原型為：

static int first_link（int data_type）； //首選配置鏈路

static int secondary_link（int data_type）； //次選配置鏈路

static int last_link（int data_type）； //最末配置鏈路

static Boolean is_support_this_link（int node_id ， int data_link）；//是否支持鏈路

前3個函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈的首選配置以及備份配置，第4個函數(shù)則是用來判斷某個節(jié)點是否支持某種數(shù)據(jù)鏈，若源節(jié)點和目標節(jié)點均支持該種數(shù)據(jù)鏈，則用該數(shù)據(jù)鏈發(fā)送消息。

2.3 仿真場景與結(jié)果分析

仿真場景的想定為，衛(wèi)星節(jié)點欲通過A數(shù)據(jù)鏈向作戰(zhàn)飛機節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而作戰(zhàn)飛機只支持B、C兩種數(shù)據(jù)鏈，不支持A鏈，因此，需要中心節(jié)點中繼轉(zhuǎn)發(fā)并切換傳輸鏈路：衛(wèi)星先通過A鏈與中繼節(jié)點通信，然后中繼節(jié)點再根據(jù)B、C鏈的優(yōu)先級選擇一條鏈路向作戰(zhàn)飛機傳輸數(shù)據(jù)。想定中中心節(jié)點有兩種：地面指揮中心節(jié)點和預(yù)警機節(jié)點。由于地面指揮中心的中繼優(yōu)先級最高，因此，當指揮中心在網(wǎng)內(nèi)時，信息將由指揮中心中繼；當某一時刻指揮中心退網(wǎng)后，此后的信息將由預(yù)警機負責(zé)中繼。

仿真過程中衛(wèi)星節(jié)點的鄰居表如圖3所示，對比左右兩幅圖可以看出，當指揮中心（ID號10000）退網(wǎng)之后，衛(wèi)星的鄰居表中便沒有指揮中心（10000）了。圖4是衛(wèi)星節(jié)點前后發(fā)送的數(shù)據(jù)包內(nèi)容比較，最初指定中繼優(yōu)先級最高的地面指揮中心（10000）中繼，當指揮中心退網(wǎng)后，由于衛(wèi)星的鄰居表里沒有指揮中心，于是便指定下一個中繼節(jié)點預(yù)警機（20100）中繼。仿真結(jié)果與場景設(shè)計分析的結(jié)果一致。

3 結(jié)束語

多數(shù)據(jù)鏈綜合組網(wǎng)應(yīng)用是一個相當復(fù)雜的工程，本文提出了一種基于多IP地址分配實現(xiàn)各類型數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)的實用方案，并利用仿真軟件設(shè)計仿真場景予以驗證，仿真結(jié)果表明，該方案具有一定的可行性和工程應(yīng)用價值，可為進一步的研究工作奠定基礎(chǔ)。

圖3 衛(wèi)星節(jié)點的鄰居表對比

圖4 衛(wèi)星節(jié)點選擇中繼節(jié)點策略的變化

參考文獻

[1]孫義明，楊麗萍主編.信息化戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈[M].北京郵電大學(xué)出版社，2004.

[2]周春福，黃鹍.多數(shù)據(jù)鏈綜合組網(wǎng)應(yīng)用及其信息分發(fā)與處理[J].艦船電子工程，2010，30（7）.

[3]陳水全，諶雙雙.聯(lián)合作戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈互連網(wǎng)重組技術(shù)[J].艦船電子工程，2011，31（7）.

[4]許宏泉，王春生，張海波.海上聯(lián)合作戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)[J].艦船電子工程，2008，28（8）.

[5]李富強，許銳.國外多種數(shù)據(jù)鏈綜合應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（16）.

[6]王文博，張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[7]陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].清華大學(xué)出版社，2004.endprint

多數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)設(shè)計的關(guān)鍵在于集成了多種類型數(shù)據(jù)鏈的中心節(jié)點功能的設(shè)計和實現(xiàn)，而預(yù)警機節(jié)點是支持多種鏈路并且中繼優(yōu)先級較高的中心節(jié)點，因此本文以預(yù)警機節(jié)點為例，介紹數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、多鏈集成與控制、路由等功能的設(shè)計與實現(xiàn)。

2.1 節(jié)點建模

預(yù)警機節(jié)點的節(jié)點模型如圖2所示。

圖2 預(yù)警機節(jié)點模型

形式上參考了網(wǎng)絡(luò)分層體系，采用層次化設(shè)計，主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層、物理層等四層。從上到下，首先是Application Layer，該層主要用于簡單模擬應(yīng)用層的功能，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層所需要發(fā)送的包含各種應(yīng)用、優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，并且接收網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，對統(tǒng)計量進行統(tǒng)計。Network Layer為本仿真的核心部分，完成多項重要功能。比如在組網(wǎng)階段，參與完成網(wǎng)絡(luò)的組建；在入網(wǎng)階段，實現(xiàn)新結(jié)點的入網(wǎng)；在正常通信階段，完成鄰居表的更新和維護等任務(wù)。從數(shù)據(jù)流向看，該層起到承上啟下的作用，將應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)增加IP頭之后交給MAC層，同時將MAC層傳來的數(shù)據(jù)包去掉IP頭之后，發(fā)送給應(yīng)用層。MAC Layer，該層主要功能在于產(chǎn)生時隙，簡單的模擬以TDMA工作方式收發(fā)數(shù)據(jù)。PHY Layer，該層模擬的是物理層的功能，包括一組無線收發(fā)機和一個全向天線，用以收發(fā)數(shù)據(jù)。

從圖2可見，預(yù)警機節(jié)點支持四種類型的數(shù)據(jù)鏈，在每種數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)層模塊（ip）的臨近，各有一個路由管理模塊（rte_mgr），該模塊實現(xiàn)了各鏈路網(wǎng)絡(luò)層鄰居表的創(chuàng)建、維護、查找、刪除等功能，當消息需要轉(zhuǎn)發(fā)時，在鄰居表中查詢中繼節(jié)點，給出下一跳節(jié)點的ID號，完成路由功能。

本節(jié)點模型突出的設(shè)計是在應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間增添了一個仲裁（arbitrator）模塊，該模塊實現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)鏈的集成與管理功能：根據(jù)上層不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)類型，予以不同的數(shù)據(jù)鏈配置；如果消息需要在不同種類的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)，則根據(jù)目標節(jié)點支持的數(shù)據(jù)鏈種類，選擇相對應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈類型發(fā)送。

2.2 進程建模

進程模型通過有限狀態(tài)機（FSM）的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（STD）來支持節(jié)點各功能的實現(xiàn)，用戶可根據(jù)實際需求自行編寫進程模型。下面詳細介紹上節(jié)重點分析的兩個模塊rte_mgr和arbitrator的進程模型。

rte_mgr是路由管理模塊，實現(xiàn)對鄰居表的管理和維護，上層待發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達這個模塊，都會根據(jù)目的節(jié)點和鄰居表給出下一跳節(jié)點的ID號，對數(shù)據(jù)的走向起到引導(dǎo)作用；或者當消息需要多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)時，則根據(jù)鄰居表給出中繼節(jié)點的ID號。

該進程模型主要功能為，根據(jù)收到的不同數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的處理：例如定期檢查鄰居表狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點需定期發(fā)送keepalive消息以通知鄰居節(jié)點本節(jié)點的存在，用以維護相應(yīng)數(shù)據(jù)鏈的鄰居表，本節(jié)點定期（本文設(shè)為300秒，可根據(jù)需要靈活設(shè)置）檢查，如果未收到該節(jié)點的keepalive消息，則認為該節(jié)點已失效或者已退網(wǎng)，在鄰居表中刪除該節(jié)點；查詢和維護鄰居表狀態(tài)，如果收到的是節(jié)點的入網(wǎng)退網(wǎng)消息，則對鄰居表進行加入和刪除操作，若收到的是需要發(fā)送的消息，則查詢鄰居表，給出下一跳節(jié)點的ID號。

鄰居表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為：

#define MAX_ROUTES 32

typedef struct {

int neighbour_node_id；

int relay_priority；

double record_time；

} my_Route；

my_Route RoutingTable[MAX_ROUTES]；

neighbour_node_id為鄰居節(jié)點的ID號，是識別節(jié)點的重要信息；relay_priority為節(jié)點的中繼優(yōu)先級，當轉(zhuǎn)發(fā)消息時，盡量發(fā)往中繼優(yōu)先級高的節(jié)點，也就是集成了多種數(shù)據(jù)鏈的中心節(jié)點；record_time記錄了當前維護進鄰居表的時間，用來表明該條路由信息的時效性。

arbitrator模塊是實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)鏈集成與管理的核心模塊，該進程的主要功能是根據(jù)不同的上層應(yīng)用數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈傳輸，完成中心節(jié)點集成管理多種數(shù)據(jù)鏈的任務(wù)。

實現(xiàn)選擇切換數(shù)據(jù)鏈功能的函數(shù)原型為：

static int first_link（int data_type）； //首選配置鏈路

static int secondary_link（int data_type）； //次選配置鏈路

static int last_link（int data_type）； //最末配置鏈路

static Boolean is_support_this_link（int node_id ， int data_link）；//是否支持鏈路

前3個函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈的首選配置以及備份配置，第4個函數(shù)則是用來判斷某個節(jié)點是否支持某種數(shù)據(jù)鏈，若源節(jié)點和目標節(jié)點均支持該種數(shù)據(jù)鏈，則用該數(shù)據(jù)鏈發(fā)送消息。

2.3 仿真場景與結(jié)果分析

仿真場景的想定為，衛(wèi)星節(jié)點欲通過A數(shù)據(jù)鏈向作戰(zhàn)飛機節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而作戰(zhàn)飛機只支持B、C兩種數(shù)據(jù)鏈，不支持A鏈，因此，需要中心節(jié)點中繼轉(zhuǎn)發(fā)并切換傳輸鏈路：衛(wèi)星先通過A鏈與中繼節(jié)點通信，然后中繼節(jié)點再根據(jù)B、C鏈的優(yōu)先級選擇一條鏈路向作戰(zhàn)飛機傳輸數(shù)據(jù)。想定中中心節(jié)點有兩種：地面指揮中心節(jié)點和預(yù)警機節(jié)點。由于地面指揮中心的中繼優(yōu)先級最高，因此，當指揮中心在網(wǎng)內(nèi)時，信息將由指揮中心中繼；當某一時刻指揮中心退網(wǎng)后，此后的信息將由預(yù)警機負責(zé)中繼。

仿真過程中衛(wèi)星節(jié)點的鄰居表如圖3所示，對比左右兩幅圖可以看出，當指揮中心（ID號10000）退網(wǎng)之后，衛(wèi)星的鄰居表中便沒有指揮中心（10000）了。圖4是衛(wèi)星節(jié)點前后發(fā)送的數(shù)據(jù)包內(nèi)容比較，最初指定中繼優(yōu)先級最高的地面指揮中心（10000）中繼，當指揮中心退網(wǎng)后，由于衛(wèi)星的鄰居表里沒有指揮中心，于是便指定下一個中繼節(jié)點預(yù)警機（20100）中繼。仿真結(jié)果與場景設(shè)計分析的結(jié)果一致。

3 結(jié)束語

多數(shù)據(jù)鏈綜合組網(wǎng)應(yīng)用是一個相當復(fù)雜的工程，本文提出了一種基于多IP地址分配實現(xiàn)各類型數(shù)據(jù)鏈協(xié)同互聯(lián)的實用方案，并利用仿真軟件設(shè)計仿真場景予以驗證，仿真結(jié)果表明，該方案具有一定的可行性和工程應(yīng)用價值，可為進一步的研究工作奠定基礎(chǔ)。

圖3 衛(wèi)星節(jié)點的鄰居表對比

圖4 衛(wèi)星節(jié)點選擇中繼節(jié)點策略的變化

參考文獻

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[7]陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].清華大學(xué)出版社，2004.endprint