海洋监测异构网络路由策略研究

李 光，张亚生

(1.海参信息通信局，北京 100841；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

开展海洋监测，加强海洋资源管理，对沿海国家的经济建设、国防安全、环境保护和减灾防灾工作具有十分重要的意义。海洋监测需要在各种检测平台与各级海洋信息处理中心之间构建海洋监测数据网络，以支持多平台多类海洋监测数据的接入和交换，完成立体监测数据的传输、集成与管理〔1〕。

海洋监测综合利用卫星、升空平台、短波/超短波组网、地面网络等多种传输手段，构建智能化海洋监测数据传输网络，由于各类传输手段的传输能力、多址方式、网络协议不尽相同，海洋监测数据网不同异构传输网络之间需要设计高效统一的异构互连路由策略，实现网间大量数据快速、可靠的融合传输。

1 海洋监测数据网络结构

按照各种检测平台与各级海洋信息处理中心之间的信息传输关系，各类监测平台依据配属关系向不同海洋信息处理中心上传监测信息，各级海洋信息处理中心构成全连通网络实现信息的共享〔2〕。

海洋监测数据网一方面要利用不同的传输手段支持陆基和海基的不同监测台站到处理中心的信息接入，另一方面要使用地面宽带网络保障各级处理中心之间的信息共享。传输手段包括卫星通信、升空平台中继通信、超短波/短波无线通信、水下通信以及地面宽带网络等，通过天、空、海、潜多层次信息链路构建海洋监测数据异构传输网络，支持不同类型信息的可靠传输。海洋监测数据网传输体系如图1所示。

图1 海洋监测数据传输网传输体系示意图

2 IP路由策略及适应性分析

海洋监测数据网在使用各种传输手段的基础上，采用IP协议体系开展不同手段之间的异构互连。其中，IP路由策略用来实现不同节点之间的网络可达性。在海洋监测数据网中，考虑采用以下三种IP路由策略：

① 全网预先规划选路——静态路由

小型、简单的网络中应用最多的为静态路由协议，由系统管理员根据网络的拓扑结构事先设置好，除非管理员干预，否则静态路由不会发生变化。静态路由优点是具有非常高的可靠性，缺点是缺乏灵活性，适用于网络规模不大，网络结构比较简单且拓扑关系确定的场景。但海洋监测数据网络传输异构、站点较多，需要对大量站点的路由进行管理，再由管理员依次设置各站的静态路由表，变得越来越困难，甚至不可实现。

② 应用系统自主选路——策略路由

当应用系统具备获取信道状态并据此进行选路决策的能力时，可以使用策略路由。在这种情况下，应用系统负责路由选择，并对待发送数据包填加路由指示标记；网络中的接入及路由设备负责根据路由指示标记进行选路转发。需要特别指出的是，地面IP网络路由器一般只能根据IP头中的各个字段进行路由选路，而为满足应用系统的特殊要求，基于链路层、网络层、传输层和应用层标记的高效路由选择方法需要进一步研究。目前，应用系统自主选路无标准规范，一般根据特定任务制定对应的策略，不是本文研究重点。

③ 网络系统自主选路——动态路由

当网络中各节点之间的通信拓扑关系处于频繁变化时，可基于专用动态路由协议进行路由选择。动态路由协议在地面网络中应用成熟〔3〕，因此，在海洋监测数据网络中使用动态路由协议，利用收到的路由信息更新各节点路由表，达到实时适应网络结构的变化。本文重点针对海洋监测数据网中无线信道的长延时和有限信道带宽特性，选择合适的动态路由协议。

3 IP路由协议分析

海洋监测异构网络IP动态路由协议的评价、选择标准主要包括：

① 可扩展性，当运行该协议的网络规模扩大时，不会导致路由协议的性能快速下降，从而影响网络性能；

② 高效性，路由协议应具有较小的协议负载，包括占用的链路带宽、CPU计算负载、内存；

③ 健壮性，在网络拓扑发生变化时。路由协议应用避免或减少路由抖动〔4〕。

下面分析单播路由协议RIP、OSPF、EIGRP在海洋监测异构网络中的适应性，并进行仿真分析。

3.1 RIP路由协议

RIP路由协议基于距离矢量算法计算路由，存在跳数限制、路由选择环路、收敛慢等问题，但是在海洋监测异构网络中，路由器间只有一跳或两跳的距离，不存在冗余传输路径，不会出现路由环路，因此可以避免RIP协议固有的问题，能够充分利用RIP路由协议开销小的优势，还可采用水平分割技术进一步降低带宽开销〔5〕。

3.2 OSPF路由协议

OSPF路由协议都属于链路状态路由选择协议，均采用最短路径优先SPF算法来构建路由表。OSPF与IP结合密切，被广泛应用于各种企业网络。但OSPF路由协议在海洋监测异构网络中，其Hello机制和链路状态泛洪机制导致路由开销过大，浪费宝贵的无线异构网络带宽〔6〕。

3.3 EIGRP路由协议

EIGRP路由协议是结合距离矢量算法和链路状态算法优点的平衡混合型路由协议。该协议具有复合度量、收敛速度快等优点。在海洋监测异构网络中，当网络拓扑或路由变化时，EIGRP协议扩散更新流程在海洋监测异构网络中起不到实质作用，且占用大量带宽〔7〕。

4 IP路由协议仿真验证

OPNET是目前业界领先的网络仿真软件，可以进行各种路由协议的仿真[8]。海洋监测网络使用的传输手段包括卫星通信、升空平台中继通信、超短波/短波无线通信、水下通信以及地面宽带网络等，本文以卫星通信为例，利用OPNET仿真软件搭建海洋监测异构网络仿真场景，对RIP、OSPF、EIGRP路由协议进行仿真与适应性分析。

基于标准路由协议的海洋监测网络仿真场景，由1个透明转发卫星节点、2个一级管理中心节点和40个二级管理中心节点组成，如图2所示。所有一级或二级管理中心均通过透明卫星节点相连，组成一个基于广播型链路的网状拓扑结构〔9〕。每个管理中心都有一条路由条目(192.1.x.0/24)，RIP路由协议打开水平分割功能，OSPF路由协议端口类型配置为广播型网络，EIGRP路由协议采用默认配置。

图2 基于标准路由协议的海洋监测网络仿真场景

4.1 开销对比

图3、图4为RIP、OSPF和EIGRP协议的开销对比。OSPF协议在仿真初期的一段时间内，整个网络中路由信息交换的数据量非常大(协议开销约为750 kbps)，当OSPF达到收敛状态之后，整个网络中数据通信趋于稳定，但仍维持在一个较高水平(协议开销约为30 kbps)；另外，EIGRP协议开销约为10 kbps，RIP协议的路由开销约为1 kbps。因此，协议开销大小为：RIP

另外，在仿真开始9 min时，某个管理中心重新加入海洋监测网络(模拟路由震荡)，OSPF协议和EIGRP协议均会有一个明显的突发流量，而RIP的路由协议开销曲线没有明显的变化。

图3 RIP协议OSPF协议开销对比

图4 RIP协议与EIGRP协议开销对比

4.2 收敛时间对比

图5为RIP协议与EIGRP协议收敛时间对比。仿真10 min时，某个管理中心退出海洋监测网络；仿真13 min时，该管理中心重新加入海洋监测网络，用来模拟路由震荡，对比RIP、EIGRP路由协议在该卫星网络中的协议收敛时间。当网络中一条路由信息失效时，EIGRP路由协议仅需10几秒就完成收敛，RIP协议则需要100多秒才完成收敛；当网络中新增一条路由信息时，EIGRP和RIP协议的收敛时间差别不大。由于在基于透明转发卫星的网络中很少存在备份路由，因此，EIGRP协议在收敛速度上的优势(某条路由失效后，快速找到备份路由)并不能充分发挥作用。

图5 RIP协议与EIGRP协议收敛时间对比

由上述仿真结果和适应性分析可知，在该仿真场景中，OSPF、EIGRP协议的路由开销过大，且随着网络节点数目的增加，路由协议开销会成指数性增长，对路由器的处理能力、存储能力，以及卫星带宽资源要求较高。而RIP协议采用水平分割技术后，只将与自己直接相连的网络的路由信息广播出去，协议开销要小得多，且对路由器的性能要求不高，因此，更加适合在本文所研究的场景中应用。

5 结束语

本文对海洋监测异构网络中的路由策略进行了研究，主要对IP路由协议自主选路的路由策略进行适应性分析和仿真验证，对比了RIP、OSPF、EIGRP路由协议的协议开销和收敛时间，提出将RIP协议作为海洋监测异构网络的IP路由协议。该协议能够支持高效统一的异构互连，降低网络中协议开销，提高网络中数据带宽利用率，更加适用于海洋监测异构网络。

[1] 罗汉江.海洋监测传感器网络关键技术研究[D].青岛：中国海洋大学,2010:18-20.

[2] 何勰绯.一种新型海洋监测节点定位的网络路由算法研究[J].舰船科学技术,2016,38(4):106-108.

[3] Tanenbaum A S.计算机网络[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4] 孙晨华,张亚生,何辞,等.计算机网络与卫星网络融合技术[M].北京:国防大学出版社,2016.

[5] 董飞虎,孙晨华,董忠文,等.MF-TDMA终端中动态路由协议的优化设计[J].无线电通信技术,2012,38(4):12-13.

[6] 尹波,孙晨华,张俊哲,等.IP路由协议在MF-TDMA卫星系统中适应性研究[J].无线电通信技术,2008,38(5):5-8.

[7] 李子木.地面分组网利用MF-TDMA卫星网组网的网关研究[J].无线电工程,2011,41(6):8-10.

[8] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

[9] 郝学坤,孙晨华,李文铎.MF-TDMA卫星通信系统技术体制研究[J].无线电通信技术,2006,32(5):1-3.