地域通信网骨干节点组播协议研究*

胡彪，王建斌，胡卫民

(1.北京电子工程总体研究所，北京 100854； 2.海军装备部装备采购中心 100071)

地域通信网骨干节点组播协议研究*

胡彪1，王建斌1，胡卫民2

(1.北京电子工程总体研究所，北京 100854； 2.海军装备部装备采购中心 100071)

针对指挥控制系统网络化协同作战中地域通信网骨干节点信息传输需求，设计了一种地域通信网骨干节点网络拓扑架构，并进行了基于组播协议骨干节点的仿真分析。仿真结果表明，PIM-SM组播协议满足网络化协同作战带宽需求，对未来在地域通信网架构下构建网络化协同作战系统具有应用价值。

网络化协同作战；地域通信网骨干节点；组播协议

0 引言

近年来，网络化协同作战[1]不断在军事通信领域得到广泛应用，地域通信网作为战术通信网的主体，承载着大量目标数据的传输，具有生存能力强、时效性高、保密性和抗干扰能力强等优点，因此得到了世界各国在网络化协同作战应用中的高度重视。美国目前已经形成了集数据、语音、IP(internet protocol)传输等综合业务于一体的信息传输网络架构，对其天、空、地一体化的战术信息栅格的发展形成了支撑[2]。而国内现有的地域通信网所提供的信道带宽只满足上一代武器系统的通信网络需求，不能满足网络化协同作战的带宽需求，因此地域通信网骨干节点组播协议的应用研究将对我国新型防空反导武器指挥控制系统[3]的组网技术和网络化协同作战指控体系的发展进程起到一定的推动作用。

本文提出了一种网络化地域通信网体系下骨干节点组播协议的应用方法，并通过仿真验证了该方面的有效性。

1 地域通信网骨干节点架构

地域通信网[4]是由栅格状骨干节点和传输系统组成的覆盖战术(役)区域的通信网，是战术通信网的主体，为“网络中心战”的实施奠定了基础。具体地讲，地域通信网在一定的作战地域内开设若干个骨干节点和用户节点，节点之间通过光纤信道、散射信道或微波信道的方式互联，形成既有直达路由又有迂回路由的通信网络。

地域通信网无中心组网模式下骨干节点架构如图1所示。该架构的骨干节点依托于指控节点综合交换技术为核心的通信设备，通过综合交换技术实现地域通信网的骨干节点数据传输。通过标准的交换接口或其他接口实现各骨干节点在数据传输上的互联互通。地域通信网采用无中心组网模式，所有的作战单元通过相同网络组播协议连接在系统中，目标数据通过网络分发，又可以保证网络上某个节点损坏时，其他指控节点代替其执行指挥控制能力。

图1 地域通信网骨干节点分布架构Fig.1 Field communication network backbone node distributed architecture

无中心组网模式[5]的地域通信网骨干节点采用综合交换技术[6]将IP数据传输、话音传输以及非IP的数据传输在统一的异步传输模式[7](asynchronous transfer mode,ATM)交换平台上进行交换。利用ATM交换技术平台构成统一的多数据接入综合交换平台，具有动态组网接入的能力和很强的抗毁性能力。

2 地域通信网骨干节点组播通信协议

在现有的指挥控制系统地域通信网带宽条件下，要实时处理网络化协同作战的大量链路数据十分困难。不同的骨干节点都要处理多作战单元的目标数据，这样就会造成数据链路的阻塞。为了满足作战链路对带宽的需求，在ATM综合交换机采用IP组播路由协议，把具有协同作战能力的指控节点加入到相同组播组中，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。这样可以大大地节省网络带宽，无论有多少个目标地址，都可以收到组播源发出的目标数据。

IP组播[8]介于IP单播和IP广播通信之间，并且能使主机发送IP信息包到IP网络中任何一组主机上。IP组播路由协议就是维护组播路由表的动态路由协议。IP组播机制中采用稀疏模式组播协议(protocol-independent multicast-sparse mode,PIM-SM)，能够有效地节约带宽，降低网络负载。

IP组播数据结构如图2所示。

图2 IP组播数据结构Fig.2 Architecture of IP multicast data

IP组播是综合交换机根据互联的拓扑状态，动态生成和维护组播树，从而使IP用户向多个加入同一IP组的用户发送信息时网络开销达到最优。在综合交换机上IP组播通过组播管理协议[9](IGMPv2)实现对组播成员的动态管理。IP组播路由协议应用最多的主要是PIM-SM协议和密集模式组播路由协议(protocol-independent multicast-dense mode,PIM-DM)，IP组播协议架构如图3所示。

图3 IP组播协议架构Fig.3 Architecture of IP multicast protocol

全数字交换体制的PIM-SM[10]采用汇聚点机制，规定每个组播组必须有一个有效的汇聚点(rendezvous point,RP)路由器，并同时支持共享树和最短路径树(shortest path tree,SPT)这2种分布树。在仿真模型中使用的PIM-SM方式，组播信息只被发送到需要它的网络节点。这种发送通过PIM连接完成，其被按每一跳发送到树的根节点(PIM-SM中的树的根节点是关于共享树或第1跳路由器的汇聚点，其中第1跳路由器是指在最短路径树情况下直接与组播源相连的路由器)。当本次加入沿着树上行发送时，沿途的路由器建立组播转发状态以便需要的组播信息可以沿着树下行被转送回去。

同样地，当不再需要组播信息时，路由器为了剪枝不需要的信息，沿着树上行朝根节点发送PIM剪枝消息。当此次PIM剪枝沿着树向上逐跳传送时，每一个路由器适当地更新它的转发状态。

PIM-DM[11]不依赖于任何单播路由协议，总是假定在子网中有接收者，组播信息从一开始就被扩散到网络的所有站点，没有接收者的分支要发送剪枝消息进行剪枝，在已经剪枝的分支上出现新的接收者时可以主动发送嫁接消息来减少加入延迟。

分析比较2种组播路由协议，PIM-DM与PIM-SM相比，没有周期性的加入消息，只有触发的嫁接/剪枝消息，同时PIM-DM没有汇聚RP。而PIM-SM通过SPT，可以得到一个最优分布树，并且在效率、扩充性等各方面得到了认可。

3 骨干节点组播协议仿真分析

对上面所提出的无中心组网模式地域通信网进行模型化，假定某地域通信网有8个指控节点组成的栅格状网络拓扑结构，其网络模型如图4所示。

图4 骨干节点的网络结构Fig.4 Network structure model of backbone node

图中数字表示指控节点的序号。对无中心模式地域通信网的栅格拓扑结构，在综合交换体制平台上采用PIM-DM和PIM-SM组播协议进行数据传输，每个节点用被复线进行数据传输，将第7个节点的PC机作为发送端，其余为接收端，在相同传输速率下，分别以不同的包长和不同发包速率，仿真每个接收节点的丢包率。对相对指控节点1、相邻指控节点2、相对指控节点5进行丢包率统计，结果见表1，2。

表1 PIM-DM组播协议的丢包率Table 1 Packet loss rate in PIM-DM multicast protocol

表2 PIM-SM组播协议的丢包率Table 2 Packet loss rate in PIM-SM multicast protocol

通过表1，2中的仿真结果可以看出：

(1) IP组播采用PIM-SM协议进行数据传输丢包率低，可以满足地域通信网数据传输的需求；

(2) 在相同有效带宽内，包长越长，数据丢包率越低；

(3) 组播协议在地域通信网中的恰当应用，可以为以后的地域通信网络设计提供一种可行性的协议分析。

4 结束语

对地域通信网骨干节点的网络通信协议研究，是适应信息化战争中网络化协同作战体系的迫切需求[12]。本文对地域通信网骨干节点下的组播协议进行了研究，设计了一种地域通信网拓扑结构，并结合半实物仿真平台对2种组播协议进行了分析验证。采用综合交换体制的PIM-SM组播协议，可以满足信息化战争对数据传输的需求，有助于提升地域通信网网络化作战能力。

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Multicast Protocol of Regional Communication Network Backbone Node

HU Biao1，WANG Jian-bin1，HU Wei-min2

(1.Beijing Institute of Electronic System Engineering,Beijing 100854,China;2.Naval Equipment Procurement Center,Beijing 100071,China)

Aiming at the command and control system of network cooperative engagement regional communication network backbone nodes transmission requirements, a regional communication network backbone nodes structure is given. The backbone nodes are completed based on the multicast protocol simulation analysis. The simulation results show that PIM-SM (protocol-independent multicast-dense mode) multicast protocol can meet the requirement of network cooperative engagement regional communication network backbone nodes bandwidth and is useful to build field network cooperative engagement system under regional communication network architecture in the future.

network cooperative engagement；regional communication network backbone node；multicast protocol

2013-12-16；

2014-06-11

有

胡彪(1987-)，男，河南周口人。硕士生。研究方向：指挥系统总体。

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱 E-mail：hubiao0394@126.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.016

TN915.8

A

1009-086X(2015)-03-0089-04