第三代短波通信网路由协议研究
第三代短波通信网路由协议研究
宋宝华
杨平
梅景泉
摘
要：
美国国防部军标
MIL-STD-188-141B
附录
D
定义了几种第三代短波通信的路由协议，本文对其进行了详细地介绍，并以几个不同规模的短波网络实例阐明了路由协议的选用原则。
关键词：
MIL-STD-188-141B
短波
路由
Routing Protocols of 3rd HF Networks
Song Bao-hua, Yang Ping, Mei Jing-quan
Abstract: This paper introduces Routing protocols presented by the appendix D of MIL-STD-188-141B in detail. It also clarifies how to select conformable routing protocols from those for a given network by way of example.
Keywords: MIL-STD-188-141B HF(short-wave) Routing
1.引言
美国国防部的军用标准
MIL-STD-188-141B
定义了第三代短波通信网的组网方式，其在自动链路建立（ALE）、信道效率、网络管理、路由协议及与异构网络和Internet互连等方面的性能都较第二代网络有了很大的进展。国内外的研究多集中于数据链路层[1,2，3,4]，而对网络层的关心较少。事实上，网络控制器（HFNC）是HF全自动短波网络中的一个重要设备，是组成一个大规模支持多业务网络的必需。路由是HFNC完成的核心功能，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，MIL-STD-188-141B标准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，它也定义了负责在第三代短波通信网和其它媒介网络中转发的网关。
2.路由协议
图
1
描述了HFNC的各个模块及其相互关系，它包括信息存储与转发（S&F）、自动信息交换（AME）、自动路由选择、自动链路选择和连接跟踪等。路由选择是其核心模块，存储和转发及自动信息交换依赖于路由选择的结果，路径质量距阵和连接跟踪则是为路由算法提供必要的信息。MIL-STD-188-141B又定义了HFNC的四个功能级别，各级功能的主要区别也在于路由协议。
图1 HF网络控制器
2.1源路由
一级功能的HFNC不 具备路由表，不能利用查询路由表的方式为其它节点间的通信提供存储和转发，一般适用于网络节点单跳互通的小规模网络。但是，当网络中也存在少量彼此不能单 跳连通的节点时，可以使用源路由的办法。源路由即源端在发送分组的包头添加路由信息，中继节点在接收到分组后解析包头，若获知自身是中继节点，则将其转发 给包头中记录的下一个中继节点，直至到达目标节点。源路由提供了一种无需查询路由表也可进行分组存储和转发的方法，为由运行一级功能的HFNC组成的网络提供了一定的灵活性。
2.2静态路由
二级功能的HFNC使用静态路由表，路由表中记录了源节点抵达目标节点的下一跳节点。当源节点的用户进程（或传输层）下传分组给网络层时，各功能模块执行下列步骤完成分组的发送：
⒈网络层的存储和转发模块利用路由选择模块查询路由表，将查到的下一跳节点（中继节点或目标节点）地址交给自动信息交换模块
⒉AME利用链路选择模块调用数据链路层的ALE完成与下一跳节点的建链
⒊建链成功以后，AME调用数据链路层发送分组给下一跳节点；若建链失败，链路选择模块可以反馈给路由选择模块重新选择路由或继续等待以后重新建链
⒋下一跳节点网络层接收到分组后，解析包头，若发现自身不是目标节点则执行与源节点相同的步骤1、2、3进行转发；若自身是目标节点则上传给用户进程（或传输层）。
静态路由表的生成办法是在网络运行前配置了一些节点充当中继，将这些节点填入各节点的路由表中（可以使用网络管理的方法载入），它适用于拓扑结构相对稳定或可预期的网络。
由于网络中存在的不稳定因素，最初指定的中继节点不一定能一直保持其中继能力，所以需要一套机制来管理和监控这些中继节点，这套机制就是附录D中定义的高频中继管理（HRMP）。HRMP涉及三个站:第一个是中继站(实际的或潜在的),第二个是管理中继的控制站,第三个是中继的目标站。它在中继站和控制站中交互信息，可以是“查询―应答”方式或中继站在中继能力改变时自动报告的方式。HRMP提供了监控中继站的方法，正如源路由为无路由表的一级HFNC提供灵活性一样，HRMP也为使用静态路由机制的二级HFNC提供了一定的灵活性。
2.3自适应路由
三级和四级功能的HFNC在HF网络内发送包和转发包的过程与二级功能的HFNC相同，其不同点在于前者的路由选择模块所依据的路由表并非静态生成，而是通过在节点之间动态交互路由信息的CONEX方法来更新路由表。 路径质量距阵是自适应路由的核心数据结构，它记录了源站点通过各个中继到达目标节点的多条路径的语音和数据业务质量、跳数及生存时间，一般从这些路径中选择质量最好的形成路由表。
若节点A收到节点B到达节点C的CONEX信息，则节点A依据下列办法计算通过B中继到C的质量：
⒈对于语音业务，依据A->B和B->C的路径质量，查询语音路径质量级联（Voice path cascading）表，获得A->B->C的质量；
⒉对于数据业务，若A->B和B->C任何一路径质量为0，则A->B->C的质量为0；否则为A->B和B->C中较小的路径质量减1。
单跳语音路径的质量q
voice
依据数据链路控制器提供的SINAD（信纳德）信息获得：若SINAD<2dB，则q
voice
=0
；若2dB<SINAD<26dB，则q
voice
=SINAD/2
；若SINAD>27dB，则q
voice
=14
；若SINAD未知，
则q
voice
=15
。而单跳数据路径的质量q
data
则依据下列公式求得：
q
data
=7+log
2
(data rate/75/b/s)-ARQ Repeats
ARQ Repeats
指过去1小时里发送的所有包因错误而被重传的次数对包总数的平均。若过去的1小时没有包在该路径上传输，则可依据链路的BER来评估。 CONEX信息的交换可用周期广播和“查询―应答”的方式，它的优点是:
⒈由CONEX方法获得的自适应路由相较前两种路由有最大的灵活性；
⒉包含了路径质量信息，可以从多条路径中择优录取，选取质量最好的路由。更好的质量将意味着网络性能参数的提高，这些参数包括吞吐量、包时延、资源利用率等。
虽然CONEX有上述优点，但却带来了难以接受的网络开销，所以除非前文所述的路由无法运行时才被采用（适用于拓扑不稳定和不能预期的网络）。因此，应该在保留CONEX优点的前提下对其进行改进，尽可能地减少路由开销。业已设计了一种高频动态源路由（HF-DSR）协议，它减少了路由的开销，但保留了其自适应和能择优录取路由的优点，将另文详述该协议。
2.4异构网间网关
四级功能的
HFNC
能在高频网与其它媒介网络、
Internet
间提供路由转发功能，一个典型的网关
[6]
如图
2
所示。若
HF
节点需要交互式应用（如
FTP
、
HTTP
等），节点上需实现
TCP/IP
协议，这时候网关负责异构网络间的分组中继和转发；而对于两种网络间的高频电子邮件
[7]
、高频网络管理（
HFNM
）
[6,8]
等应用，网关还需完成包格式的转换。之所以要避免在
HF
网络内使用
TCP/IP
协议，是因为其连接建立时的三次握手、添加的至少
40
个字节的包头都给资源有限的
HF
网络带来开销；另外，最初为有线网络而设计的
TCP
协议假定包的传输失败都是因为网络拥塞造成的（而实际上，在
HF
网络中动态变化的拓扑、更高的误码率等原因都可能造成包传输失败），从而在
ACK
等待超时时减慢发送速度，这将使
HF
网络吞吐性能重大降低。
图
2 HF
网络与
Internet
间的网关
3.实例
设计一种适用于各种规模高频网络的通用的路由协议既不可能也没有必要，这也是MIL-STD-188-141B提出多种路由协议思想的原因。针对不同类型的网络，应选择不同的路由协议，下面以实例来阐明这一问题。
3.1小范围野外作业HF网络
为应付野外作业而使用数个高频电台搭建的临时性网络，由于各节点距离较近，HFNC应运行在一级功能上。节点间一般不需要中继，偶有节点落于单跳范围之外，可以在发送信息时人工添加源路由信息。
3.2海上HF网络
海上舰船之间需要一个短波通信网络，美军曾启动的海军特遣部队内部网络（
HFITF
） 就属于此类。军事通信中，海上舰船一般含多个编队。编队内部节点一般距离较近，可以认为在单跳范围之内，而各编队之间的节点则可能不在彼此地波的可达范围 之内，又可能处于天波的盲区（由于我国尚不具有完善的近垂直天波通信技术），此时只能使用地波中继。可以使用分层的体系结构，如图
3
，在各编队中选出一个节点充当中继节点，这些中继节点组成骨干网络。由于网络拓扑结构有可能动态变化，所以在骨干网络内应利用
CONEX
自适应地更新中继节点间的路由。而普通节点则无需动态维护路由，可以使用静态路由表。这样，自适应路由的开销被限制在少数节点之间。
美军的近期数字电台
[9]
（
NTDR
）也使用了分层体系结构的路由。
图
3
分层体系结构
3.3大规模HF网络
一个大规模的高频网络可以覆盖数千公里的范围，北美实验的改进型
HF
数据网络
[10]
(IHFDN)
就是属于此类。由于受发射功率的限制，要求每个节点都能发射数千公里传输距离的短波是不大现实的，可以在多个地方设立地面基站。事实上，澳大利亚的长鱼（
longfish
）型高频网络、美国加州
globewireless
公司的海上数据网络（
Digital
maritime data network
）正是这样做的。很显然，就这种网络而言，各基站组成了一个骨干网络，由于这些基站位置固定，所以骨干网络中可使用静态路由，而在某基站附近的小规模子网内部节点间的通信则视自身的情况决定使用静态路由还是动态路由。
鼓舞人心的是，由于这些地面基站具有相对稳定的运行能力和接入异构网络（尤其是
Internet
）的便利，可以把它们配置为负责
HF
网络和
Internet
间转发的网关。
4.总结
路由是第三代短波通信网网络层的核心，
MIL-STD-188-141B
附录
D
提供了多个路由协议思路。面对一个特定的高频网络，应依据它自身的规模、拓扑结构等特点选取适当的路由协议，孤立的、脱离自身网络实际的就路由而论路由的设计思路是没有意义的。
参考文献
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,
周治中
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邹盛唐
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.HF
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, 1999(3):67~70
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[4]M.W.Chamberlain, W.N.Furman, L.F.Palum et al. Performance of US MIL-STD-188-141B appendix C data link protocols[C]. IEE HF Radio Systems and Techniques conference. 2000. Conference Publication No.474:145~145
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[7]MIL-STD-188-141B. APPENDIX E Application Protocols for HF Radio Networks[S], 1999
[8]MIL-STD-188-141B.APPENDIX H Manage Information Base for Automated HF Radio Network[S],1999
[9] Russell Ruppe, Stan Griswald, Pat Walsh et al. Near Term Digital Radio System[C]. Proceedings of IEEE Military Communications Conference, Monterey, CA. 1997.
423~425
[10]Baker, M., Robinson, N.P. Advanced HF digital networks[C]. Proceedings of IEEE Military Communications Conference, McLean, VA. 1991.vol.
3:929~933
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