关于短波组网结构和技术的研究

2013-09-19张化宇

网络安全技术与应用 2013年9期

张化宇

（湖北金洋有限责任公司湖北 441000）

0 引言

短波通信又常称为高频通信，短波信号通过电离层反射实现远距离通信，通常使用数百瓦的功率便可提供数千公里的通信，而且其建设和维护的费用低，建设周期短，设备简单而又使用方便。此外，相对于其它远距离通信方式，短波通信具有不易被“摧毁”的“中继系统”。多年来短波通信广泛用于政治、军事、外交、气象、商业等部门，用以传送语音、文字、图像、数据等信息，尤其在军事部门，它始终是军事指挥的重要手段之一。下面笔者研究了短波组网结构和技术。

1 短波网络系统结构

1.1 短波通信的特点

无线电波主要是通过开放性的自然空间和地球传输的。短波的波长较长，为l0m到100m，相应的频率较低，为1.5MHz到30MHz。这个频段的无线电波的传播主要有两种形式，即地波和天波。地波传播的特点是电波在行进过程中受地表面导电率和相对介电常数的影响而产生衰减，频率越高衰减越大。在频率较低的短波波段，发射功率不特别大时，传输距离一般为几十公里。天波是靠电离层的一次或多次反射而实现远距离传输的。通常，一次反射传输的最大地面距离可达4000公里，多次反射可传输上万公里，甚至作环球传播。

1.2 短波网络终端的硬件结构

(1)短波网终端的组成

新一代短波网络的每个终端在功能上是完全一样的，这样设计的目的是提高网络的抗毁能力，避免了功能特别的终端被摧毁后对网络造成不可恢复的破坏。短波网络终端由嵌入式PC+网络控制器+电台三部分构成。电台为可实时置频的多信道跳频电台，网络控制器通过串口与嵌入式PC相连，通过音频口或数据口与电台相连。网络控制器硬件为由微处理器和数字信号处理芯片构成的控制平台，软件为嵌入式操作系统

(2)网络控制器的硬件框图

如下图所示，短波网络控制器的核心是ARM控制器，大量的网络信息被存储在控制器的大容量数据存储器中。ARM芯片根据各种算法对这些信息进行处理和判断，从而实现短波网络的智能控制。

图：网络控制器的硬件框图

ARM核心控制器对外主要有三个接口：一个是和上层控制单元的接口，一个是和负责自动链路建立的MAC层控制器的接口，还有一个是和专门负责发送、接受数据的调制解调器的接口。网络控制器将通过与上位机的接口与上层用户实现数据交换，并根据要发送的数据和本身存储的网络信息得出控制命令，并通知MAC层控制器根据网络控制器提供的信息进行链路建立或链路监听。在链路建立好后，网络控制器将数据传给数据的调制解调器，由它负责发送数据的收发。

1.3 短波网络的网络结构和控制结构

(1)无线移动Ad Hoc网络

无线Ad Hoc网络是一个基于分组交换的其有很弧自组织功能的无线网络。所谓自组织功能是指一些相对简单的规则在不同层次被反复应用从而形成大规模的自适应行为。在自组织网络中主要强调两点：一是不存在权威的或特殊的节点(如基站、AP接入点等)，要求每个终端的功能完全一样能够互相杆换：二是强调高度的协作，网络中所有的终端通过高度的协作形成具有很高自适应能力的网络。这样的网络能够根据当前的网络拓扑、信道条件等实际情况，智能地做出调整，使每个终端负责合适的工作，自动实现全网络的优化配置。

(2) 控制结构

一般说来，常用的网络体系结构根据拓扑形状可以分为四种基本结构：中心式控制、分层中心式控制、完全分布式控制、分层分布式控制。前两种属于集中式控制，普通节点的设备比较简单，中心控制节点负责选择路由及控制流量，但它要求中心节点有很强的处理能力，特别是中心控制节点易被发现而易遭摧毁。完全分布式控制结构网络的基本特点是网络的所有节点在网络控制和流量管理上是平等的。各节点要监测系统的连通性，进行拥塞、流量以及路由信息的控制。因此网络的抗毁能力强，且设备的成本也比较低。但在用户很多，特别是在移动的情况下，存在处理能力弱，控制业务急剧增多，路由在不断重组中出现不连续的弱点。分层分布式控制采纳了全分布式和分层中心式的优点，它的基本特点是网络由若干控制节点(即群首)和许多普通节点组成，网络的管理是由控制节点来完成，拥有前面所述的优势。

2 短波组网的网络功能

(1)路由选择

路由选择功能根据通信业务，通过查询路由表以确定传输所用的直接或间接的路径。路由选择功能支持各种直接或间接的呼叫和多种中继类型。

(2)链路选择

网络层向链路层请求建立、终止链接，并带有相应的链路层地址。链路层应根据链路质量选择本次使用的链路，并回应链路建立成功与否以及被链接站的身份。

(3)信息存储与转发

信息存储与转。发是为用户或传输层所提供信息传输服务的接口。网络层的存储与转发处理调用路由选择功能以决定数据传输的路由。然后通过自动信息交换处理来向HF链路发送信息。

(4)自动信息交换(AME)

自动信息交换指自动从信息存储与转发处理中取得网络信息发送给一个指定的可以直接到达的节点(中继节点或目的节点)。当通过链路请求处理发现通往该节点的链路可用时，自动发送。当链路请求处理发现通往该节点的链路不可用时，可以拒绝该网络信息发送，返还给信息存储与转发处理轮流重发该信息，或者存储该信息直到通往该节点的链路可用。(这种模式也称为“发现模式”。)

(5)连通性交换

在HF通信网络中，每个节点无法直接获得许多节点的路由和信息，可以通过得到存储在直接可以通信的节点中的连通性信息获得其他节点的路由或信息。这种信息可以被共享并周期性升级。当节点报告它们与其他节点的连通性信息(如链路质量矩阵等)称为连通性交换。另外节点还可以通过连通性交换请求答复哪一个节点与指定的节点有可用的路由，这称为查询路由。另外连通性交换还提供基础数据给网络选频算法为网络频率协商所用。

3 短波组网的路由技术

短波网路已算法选择改进型分布式路由算法，该算法是从DBF (DistributedBellman-Ford)算法改进而来，属于表驱动的主动路由技术。

该算法是在各节点存储一个路由表，路由表的修正是依据各相邻节点交换的连通性信息以及链路质量。节点根据收集到的网络连通性信息就可以计算出到达各目的节点的最小跳数路由。网络的连通性信息通过所有节点周期性地半广播(只在1跳的范围内)自己的PROP (Packet Radio Organization Packet)来获得。发送PROP分组时，分组头的目的地址只有一个，即广播地址FFH。各节点的路由生存周期表明了节点路由的有效时间，生存周期结束时，要广播新的PROP分组，更新路由表。

网络开通时，各节点通过接收PROP来确定自己的相邻节点表，并根据获得的路由信息生成侮个节点的稀疏路由树。网络开始传输数据后，数据分组也可以用来确定相邻节点的存在性。每个PROP中包含有该节点的路由信息，每个节点收到相邻节点的PROP时，使用该PROP中的路由信息维护自己的路由，并将更新后的路由信。息通过PROP广播给相邻节点。通过PROP的不断广播，每个节点都能计算出到各个目的节点的最短路由(最小跳数)。该算法的主要优点是能适应网络拓扑结构的动态变化，在节点移动或故障时仍能得到至目的节点的最短路由，可靠性高，分组的平均网络时延也较小。它的主要缺点是实现比较复杂，且当网络拓扑变化很快时，用于交换连通性的信息增多，影响网络吞吐量，降低网络资源利用率。该算法适用于拓扑变化较慢、时延小、可靠性要求高，但节点少、业务量不很大的网络。