一種新型IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)路由算法模型

馮 彬

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

一種新型IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)路由算法模型

馮 彬

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

針對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò),提出了一種新型的基于分層結(jié)構(gòu)的IP路由算法模型,滿足至少3種異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的集成要求。仿真結(jié)果表明,該模型可有效支撐基于鏈路帶寬、傳輸時(shí)延、鏈路質(zhì)量等多種QoS的路由算法設(shè)計(jì),為無(wú)線數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)層IP路由協(xié)議和算法設(shè)計(jì)提供了理論框架和實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)。

IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò);路由算法模型;網(wǎng)絡(luò)層;IP路由協(xié)議

1 引 言

進(jìn)入21世紀(jì),通信領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)呈現(xiàn)出高速發(fā)展態(tài)勢(shì),鏈路傳輸速率越來(lái)越快,業(yè)務(wù)類型越來(lái)越多。寬帶數(shù)據(jù)鏈的出現(xiàn),不僅滿足了大容量圖像、視頻的實(shí)時(shí)傳輸需求,同時(shí)也促進(jìn)了各種商用技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈通信領(lǐng)域中的應(yīng)用,如Web、VoIP、DDS服務(wù)等。為了進(jìn)一步發(fā)展基于數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)能力,在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議,為用戶提供通用的IP服務(wù),已經(jīng)成為未來(lái)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

最早提出IP數(shù)據(jù)鏈概念的是美國(guó)陸軍和空軍。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)[2]有效地將美國(guó)陸軍的武器平臺(tái)、指控系統(tǒng)、傳感器以及后勤支援系統(tǒng)連接起來(lái),網(wǎng)絡(luò)層面采用IP技術(shù),功能與商用Internet相似,利用IP協(xié)議來(lái)交換可變信息格式(VMF)文電;MP-CDL數(shù)據(jù)鏈[3]是美國(guó)空軍于2002年開(kāi)始研制的一種新型寬帶情報(bào)偵察數(shù)據(jù)鏈,兼容IP協(xié)議,2006年10月,L-3通信公司宣布成功地完成了基于IP的MP-CDL系統(tǒng)測(cè)試,驗(yàn)證了其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中心終端向地面作戰(zhàn)人員提供實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)圖像的能力;TTNT數(shù)據(jù)鏈[4]是一種高速、寬帶、基于IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),可將空中平臺(tái)與陸基全球信息柵格(GIG)節(jié)點(diǎn)連接在一起,利用IP技術(shù),可將網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間縮短到 5 s;ACN是美軍重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)項(xiàng)目,其本質(zhì)是在中繼通信的基礎(chǔ)上,提供IP數(shù)據(jù)報(bào)的路由功能。通過(guò)對(duì)美軍各種新型數(shù)據(jù)鏈的研究可以看到,運(yùn)用IP技術(shù)可使其各種數(shù)據(jù)鏈平滑接入到全球信息柵格(GIG)中,實(shí)現(xiàn)不同軍兵種之間的互聯(lián)互通。但根據(jù)目前掌握的文獻(xiàn)資料來(lái)看,美軍并未對(duì)外公布IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)底層采用的具體技術(shù)細(xì)節(jié),尤其是網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議和路由算法。

由于各種數(shù)據(jù)鏈具有不同的物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,其中網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議通常采用專用設(shè)計(jì),重點(diǎn)解決同種數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)成員之間的組網(wǎng)問(wèn)題,要實(shí)現(xiàn)異類數(shù)據(jù)鏈的互聯(lián),就必須在它們各自的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議上再進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議封裝,采用IP協(xié)議是一條較好的解決途徑,其技術(shù)成熟,兼容擴(kuò)展能力強(qiáng)。在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)上封裝IP協(xié)議,就是要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈特有的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議到標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議的映射轉(zhuǎn)換,向用戶屏蔽數(shù)據(jù)鏈的底層技術(shù)細(xì)節(jié),對(duì)上提供標(biāo)準(zhǔn)的IP接口,同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于IP的網(wǎng)絡(luò)路由。為在異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議,需要在底層建立一套通用的路由算法模型。本文針對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),提出了一種全新的算法模型并進(jìn)行了仿真對(duì)比,為后續(xù)的IP數(shù)據(jù)鏈路由算法和路由協(xié)議設(shè)計(jì)提供了良好的理論參考。

2 路由設(shè)計(jì)

2.1 IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)

基于IP的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)就是在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)層封裝標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)用戶間的數(shù)據(jù)通信就如同在有線互聯(lián)網(wǎng)中一樣,利用基于IP的上層通信協(xié)議(如UDP、TCP等)進(jìn)行端到端的數(shù)據(jù)通信,用戶看不到具體的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備,也不知道IP數(shù)據(jù)報(bào)是如何傳遞到目的端的,僅通過(guò)IP地址進(jìn)行相互訪問(wèn)?；谠摷夹g(shù)的用戶通信示意圖如圖1所示,其中(a)描述的是用戶所感知到的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸路徑,(b)描述的則是實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸路徑。

圖1 基于IP數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的通信示意圖Fig.1 An illustration of IP data link communication

在基于IP的數(shù)據(jù)鏈通信過(guò)程中,網(wǎng)關(guān)擔(dān)任了重要的角色,它同時(shí)與用戶和數(shù)據(jù)鏈設(shè)備接口,維護(hù)了IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的路由信息,以及IP數(shù)據(jù)報(bào)到數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的接口適配。網(wǎng)關(guān)一方面從本地局域網(wǎng)接收來(lái)自源端用戶的IP數(shù)據(jù)報(bào),提取其目的IP地址并查找路由表,選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈路,再完成IP數(shù)據(jù)報(bào)到數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的接口適配,最后通過(guò)無(wú)線鏈路進(jìn)行發(fā)射;另一方面,網(wǎng)關(guān)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈設(shè)備接收來(lái)自無(wú)線鏈路的數(shù)據(jù),恢復(fù)出完整的IP數(shù)據(jù)報(bào),查詢路由表,判斷是否將數(shù)據(jù)報(bào)交付到局域網(wǎng)上的目的用戶終端,或是通過(guò)另外的數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 路由協(xié)議

路由協(xié)議是通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn)或交換節(jié)點(diǎn))需要遵循的一套規(guī)則和流程,在有線互聯(lián)網(wǎng)中,典型的路由協(xié)議有RIP、OSPF、BGP等。路由協(xié)議簡(jiǎn)單來(lái)講可以分為3個(gè)部分:一是路由信息更新過(guò)程,各個(gè)節(jié)點(diǎn)間按照一定的規(guī)則交互網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?相互感知網(wǎng)絡(luò)的變化情況;二是路由算法,結(jié)合感知的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?根據(jù)一定的規(guī)則和方法進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)傳輸路徑計(jì)算,形成路由信息;三是路由表,用于存儲(chǔ)經(jīng)處理后得到的路由信息,該表在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不斷地被刷新。

在IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)關(guān)是路由協(xié)議運(yùn)行的主要載體,負(fù)責(zé)路由表的生成和維護(hù),網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)交互路由信息,并結(jié)合路由算法,就可實(shí)現(xiàn)路由的計(jì)算。由于本文的研究重點(diǎn)是路由算法模型,考慮到數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模通常較小,因此路由信息更新過(guò)程和路由表設(shè)計(jì)可直接參考互聯(lián)網(wǎng)的RIP協(xié)議。假設(shè)經(jīng)過(guò)數(shù)輪的路由信息交互,各個(gè)網(wǎng)關(guān)均掌握了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路信息,但考慮到數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的特殊性,網(wǎng)關(guān)在相互進(jìn)行路由信息交互時(shí),還需要額外傳遞以下內(nèi)容:鏈路配置(本地的數(shù)據(jù)鏈配置信息,包括鏈路類型和數(shù)量);鏈路負(fù)載(本地各條數(shù)據(jù)鏈路的可用帶寬);鏈路時(shí)延(本地各條數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)傳輸延遲);鏈路質(zhì)量(本地各條數(shù)據(jù)鏈的傳輸誤包率);接口適配開(kāi)銷(本地網(wǎng)關(guān)與各條數(shù)據(jù)鏈之間的接口適配處理開(kāi)銷)。

2.3 算法模型

在IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中,路由算法是用于計(jì)算“最佳的”數(shù)據(jù)報(bào)傳輸路徑,算法設(shè)計(jì)應(yīng)緊密結(jié)合數(shù)據(jù)鏈的特點(diǎn)。對(duì)比有線互聯(lián)網(wǎng),數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)具備以下特點(diǎn):第一,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小,數(shù)據(jù)報(bào)傳輸通常不會(huì)超過(guò)幾跳;第二,鏈路帶寬資源非常寶貴,傳輸時(shí)延和誤包率存在一定的不穩(wěn)定性;第三,節(jié)點(diǎn)間可能存在多條直接通信鏈路;第四,數(shù)據(jù)報(bào)在不同數(shù)據(jù)鏈路間進(jìn)行接口適配時(shí),存在不同的處理開(kāi)銷。為此,需要設(shè)計(jì)一種通用的路由算法模型,滿足上述數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的特殊需求。

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

為了便于描述,首先對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一定的抽象,假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中存在A、B、C 3種數(shù)據(jù)鏈,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可能配置數(shù)量不等的數(shù)據(jù)鏈路,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎梅謱咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖2所示。

圖2 分層的網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Layered network model

在圖2的分層模型中,最上層是網(wǎng)關(guān)接入層,該層各個(gè)節(jié)點(diǎn)即為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),利用IP地址進(jìn)行標(biāo)識(shí);下面幾層代表了各種數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),層中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)線代表了具體的無(wú)線通信鏈路。為簡(jiǎn)化描述,圖2中對(duì)于每一類數(shù)據(jù)鏈,單個(gè)節(jié)點(diǎn)僅配置最多一條該鏈路,若節(jié)點(diǎn)配置的鏈路種類或數(shù)量更多時(shí),通過(guò)增加分層即可進(jìn)行描述。網(wǎng)關(guān)接入層與各個(gè)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵又g的垂直虛線代表了數(shù)據(jù)處理通道,實(shí)質(zhì)就是網(wǎng)關(guān)完成IP數(shù)據(jù)報(bào)與具體數(shù)據(jù)鏈的接口適配處理通道。在分層網(wǎng)絡(luò)模型中引入以下工作參數(shù)。

(1)BWX(m-n):在數(shù)據(jù)鏈X的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵又?節(jié)點(diǎn)m至節(jié)點(diǎn)n的單向鏈路可用帶寬。同理,BWX(n-m)則代表了該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)n至節(jié)點(diǎn)m的單向鏈路可用帶寬。

(2)DX(m-n):在數(shù)據(jù)鏈X的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵又?節(jié)點(diǎn)m至節(jié)點(diǎn)n的單向鏈路傳輸時(shí)延。同理,DX(n-m)則代表了該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)n至節(jié)點(diǎn)m的單向鏈路傳輸時(shí)延。

(3)EX(m-n):在數(shù)據(jù)鏈X的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵又?節(jié)點(diǎn)m至節(jié)點(diǎn)n的單向鏈路傳輸誤包率。同理,EX(n-m)則代表了該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)n至節(jié)點(diǎn)m的單向鏈路傳輸誤包率。

(4)TX(m):網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)m接收到用戶IP數(shù)據(jù)報(bào)后,完成IP數(shù)據(jù)報(bào)到數(shù)據(jù)鏈X的接口適配所耗費(fèi)的軟件開(kāi)銷。

(5)RX(m):網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)m從數(shù)據(jù)鏈X接收到數(shù)據(jù)后,完成到標(biāo)準(zhǔn)IP數(shù)據(jù)報(bào)的接口轉(zhuǎn)換所耗費(fèi)的軟件開(kāi)銷。

2.3.2 算法模型設(shè)計(jì)

路由算法就是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ椭?計(jì)算最佳數(shù)據(jù)傳輸路徑的方法。在IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中,路由算法應(yīng)充分結(jié)合數(shù)據(jù)鏈的特點(diǎn),路由優(yōu)選規(guī)則可以根據(jù)具體情況進(jìn)行定義,如“最短傳輸時(shí)延”、“最佳帶寬利用率”等。本文提出了一種抽象的通用路由算法模型,在分層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中計(jì)算一條“最小代價(jià)”的路徑,鏈路代價(jià)定義綜合了鏈路帶寬、傳輸時(shí)延、誤包率、處理開(kāi)銷等因素,通過(guò)改變代價(jià)函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)不同的路由優(yōu)選規(guī)則。

在分層的網(wǎng)絡(luò)模型中,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵又懈鳁l水平鏈路的代價(jià)COSTX(m-n)定義為

式中,COSTX(m-n)代表了數(shù)據(jù)鏈X的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵又泄?jié)點(diǎn)m至節(jié)點(diǎn)n的水平單向鏈路代價(jià),若這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間沒(méi)有數(shù)據(jù)鏈X的通信鏈路,則COSTX(m-n)設(shè)為+∞。本文并不對(duì)公式(1)中的 f函數(shù)進(jìn)行具體定義,這可以根據(jù)路由優(yōu)選規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如,路由優(yōu)選原則是“最短傳輸時(shí)延”,則 f函數(shù)應(yīng)加大對(duì)參數(shù)DX(m-n)的敏感程度,降低其他兩個(gè)參數(shù)的比重,當(dāng)鏈路時(shí)延提升時(shí),鏈路代價(jià)也會(huì)明顯增大,這樣在進(jìn)行路由計(jì)算時(shí),會(huì)優(yōu)先選擇傳輸時(shí)延較短的數(shù)據(jù)鏈路。

同理,分層網(wǎng)絡(luò)模型中網(wǎng)關(guān)接入層與下層之間的垂直鏈路代價(jià)COSTTX(m)和COSTRX(m)定義為其中,COSTTX(m)表示節(jié)點(diǎn)m的網(wǎng)關(guān)接入層至數(shù)據(jù)鏈X網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵拥膯蜗虼怪辨溌反鷥r(jià),COSTRX(m)則表示其返向鏈路代價(jià),若節(jié)點(diǎn)m沒(méi)有配備數(shù)據(jù)鏈X,則這兩個(gè)值均設(shè)為+∞。同樣本文不對(duì)公式(2)和(3)中的g1、g2函數(shù)進(jìn)行具體定義,這也可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì),如考慮網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件處理能力、數(shù)據(jù)鏈消息與IP數(shù)據(jù)報(bào)的接口適配處理復(fù)雜程度等。

在IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)均需要計(jì)算它到其他網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路徑。以某個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)計(jì)算一條路徑為例進(jìn)行路由算法描述,如下所述。

步驟1:計(jì)算鏈路代價(jià)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)最新的路由更新數(shù)據(jù),形成分層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,更新圖中各條鏈路的可用帶寬、延遲等參數(shù),完成鏈路代價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì),并按照公式(1)～(3)完成各條鏈路代價(jià)的計(jì)算。需要注意的是,在雙向鏈路中鏈路代價(jià)是需要區(qū)分方向性的。

步驟2:路徑計(jì)算

在分層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?從源網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算到目的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的最小代價(jià)路徑,該條路徑可能經(jīng)過(guò)多個(gè)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?并在多個(gè)層之間來(lái)回穿越,最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。最小代價(jià)路徑計(jì)算可采用經(jīng)典的Dijkstra算法[5],若計(jì)算出路徑的總代價(jià)不為+∞,則路徑計(jì)算成功。

步驟3:更新路由表

根據(jù)路徑計(jì)算結(jié)果,更新本地路由表,對(duì)“目的IP地址”和“下一跳IP地址”欄目的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新,后續(xù)網(wǎng)關(guān)將根據(jù)路由表信息進(jìn)行具體的IP數(shù)據(jù)報(bào)分發(fā)處理。

步驟4:運(yùn)行路由更新協(xié)議

網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)控本地?cái)?shù)據(jù)鏈的運(yùn)行狀態(tài),更新鏈路的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),參與與其他網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的路由信息更新過(guò)程,并定期進(jìn)行路由的實(shí)時(shí)更新計(jì)算。

3 算法仿真

本文提出的路由算法模型可以滿足多種路由優(yōu)選規(guī)則的要求,通過(guò)巧妙地設(shè)計(jì)鏈路代價(jià)的定義函數(shù)(即f函數(shù)和g函數(shù)),就能夠在路由計(jì)算時(shí)權(quán)衡各種鏈路性能指標(biāo),從而優(yōu)選出滿足用戶要求的最佳路徑。雖然本文重點(diǎn)并不是進(jìn)行鏈路代價(jià)設(shè)計(jì),但為了驗(yàn)證算法模型的正確性和擴(kuò)展性,這里給出了3種最簡(jiǎn)單的鏈路代價(jià)定義函數(shù),對(duì)應(yīng)3種路由算法。為了簡(jiǎn)化仿真,忽略層與層之間的垂直鏈路代價(jià)(即g1()=g2()=0),僅考慮水平鏈路代價(jià)。

在Matlab環(huán)境下對(duì)上述3種算法進(jìn)行仿真,使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示,假設(shè)同種數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中的各條鏈路的可用帶寬、傳輸時(shí)延和誤包率指標(biāo)均相同,所有鏈路為雙向?qū)ΨQ鏈路。初始化時(shí),數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)A中各條鏈路的BW=10、D=10、E=10-6;數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)B中各條鏈路的BW=50、D=20、E=10-5;數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)C中各條鏈路的BW=100、D=30、E=10-4。IP數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求在5個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)間隨機(jī)產(chǎn)生,共進(jìn)行1 000個(gè)周期的模擬仿真,每個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)單播數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求(耗費(fèi)的鏈路帶寬為0.1～1之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)),每個(gè)數(shù)據(jù)連接占用n個(gè)周期(n為可變參數(shù))的鏈路資源。網(wǎng)絡(luò)每經(jīng)過(guò)20個(gè)處理周期就進(jìn)行一次路由信息更新過(guò)程(假設(shè)該過(guò)程不占用鏈路可用帶寬資源)。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 路由阻塞性能Fig.3 Routing block performance

在圖3中,橫坐標(biāo)n是數(shù)據(jù)連接的鏈路資源占用周期,縱坐標(biāo)代表了路由計(jì)算失效(即路徑總代價(jià)為+∞)的次數(shù),反映了路由算法的阻塞性能?？梢钥吹?隨著鏈路資源占用周期的增大,3種路由算法的路由阻塞次數(shù)均提高,但算法1體現(xiàn)了最佳的抗阻塞性能,主要原因是算法1優(yōu)選可用帶寬較大的傳輸路徑,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶寬能夠平均地分布在網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)連通性最好,阻塞次數(shù)最少;算法2和算法3由于分別優(yōu)選時(shí)延和誤包率較低的鏈路,導(dǎo)致了大量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分布在某些關(guān)鍵鏈路上,極快地耗費(fèi)完了這些鏈路的可用帶寬,降低了網(wǎng)絡(luò)的連通性,導(dǎo)致路由阻塞次數(shù)增多。

圖4反映了3種算法計(jì)算出路由的平均時(shí)延對(duì)比,路由時(shí)延定義為該路由經(jīng)過(guò)的所有數(shù)據(jù)鏈路的時(shí)延總和。從圖中可以看到,算法2計(jì)算出的平均路由時(shí)延最短,主要原因是算法2以鏈路時(shí)延作為計(jì)算代價(jià),在路由選擇時(shí)優(yōu)先尋找時(shí)延較短的鏈路,因此計(jì)算出的路由總時(shí)延相對(duì)最小。

圖4 路由時(shí)延性能Fig.4 Routing delay performance

圖5反映了3種算法計(jì)算出路由的平均誤包率對(duì)比,路由誤包率定義為該路由經(jīng)過(guò)的所有數(shù)據(jù)鏈路的誤包率的疊加。從圖中可以看到,算法3計(jì)算出的平均路由誤包率最低,這與算法3采用的鏈路代價(jià)定義緊密相關(guān),算法會(huì)優(yōu)先選擇誤包率較小的鏈路,因此計(jì)算出的路由總誤包率也相對(duì)較小。

圖5 路由誤包率性能Fig.5 Routing error rate performance

通過(guò)上述仿真分析可以看到,本文提出的路由算法模型能夠很好地支持各種路由算法設(shè)計(jì),在分層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中,通過(guò)改變鏈路代價(jià)定義函數(shù),就能方便地調(diào)整路由優(yōu)選規(guī)則,使路由算法具備較強(qiáng)的靈活性,滿足帶寬、時(shí)延、誤包率等方面的需求;對(duì)鏈路代價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),就可以在各項(xiàng)鏈路指標(biāo)間進(jìn)行權(quán)衡,使路由選擇滿足不同場(chǎng)合下的用戶需求。另外,整個(gè)算法模型用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由算法和協(xié)議均采用模塊化設(shè)計(jì),通用性和兼容性較強(qiáng),可以方便地從Matlab環(huán)境移植到C/C++環(huán)境,適應(yīng)不同硬件平臺(tái)的處理要求。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò),提出了一種全新的路由算法模型,該模型緊密結(jié)合數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),能夠在鏈路帶寬、傳輸時(shí)延、誤包率等通用指標(biāo)上進(jìn)行權(quán)衡,仿真結(jié)果表明該算法模型能夠較好地支撐各種路由算法設(shè)計(jì),為今后IP數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)理論框架。下一階段的研究重點(diǎn)是結(jié)合具體的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建實(shí)例模型并設(shè)計(jì)優(yōu)化的路由協(xié)議和算法,爭(zhēng)取在實(shí)用性和工程化方面有所突破。

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Email:fengbin@swiet.com.cn

A New Routing Algorithm Model for IP Data Link Network

FENG Bin
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

A novel multi-layered IP routing algorithm model is proposed for wireless data link network and the model satisfies the integration requirement of at least three different data link networks.The simulation result shows that the model can effectively support the design of varied QoS(based on bandwidth,latency,error rate,etc.)routing algorithm and provides theoretical framework and implemental guide for IP routing protocol and algorithm design of wireless data link network.

IP data link network;routing algorithm model;network layer;IP routing protocol

the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 1998.He is now an engineer.His research concerns avionics system design.

TN915

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.033

1001-893X(2012)06-0992-05

2012-03-12;

2012-05-15

馮 彬(1973—),男,重慶人,1998年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)楹娇针娮酉到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

FENG Binwas born in Chongqing,in 1973.He