基于作戰(zhàn)編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)研究

徐達(dá)峰， 楊建波

（空軍航空大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130022）

戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層在設(shè)計(jì)過(guò)程中，摒棄了以往通常采用的分層路由協(xié)議，而選擇了網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)的IP路由協(xié)議體系[1]。 在對(duì)空作戰(zhàn)過(guò)程中，作戰(zhàn)編隊(duì)出于戰(zhàn)術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的需求， 必然會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割與合并的情況。 由于編隊(duì)快速、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特性，只有對(duì)其動(dòng)向進(jìn)行提前預(yù)測(cè)與分析，才能更好地處理上述兩種情況[2]。 預(yù)測(cè)分配法（Prophet Allocation，PA） 是一種適用于大量MANET 用戶的IP 地址分配技術(shù)，其復(fù)雜性、通信開銷、時(shí)延等特性良好，可以處理好因網(wǎng)絡(luò)分割與合并而帶來(lái)的地址問(wèn)題。

1 預(yù)測(cè)分配原理

假定通過(guò)函數(shù)f（n）可以得到一個(gè)序列，用它來(lái)表示編隊(duì)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)， 令編隊(duì)中的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)選定為節(jié)點(diǎn)A。 具體分配過(guò)程如下：

1）節(jié)點(diǎn)A 隨機(jī)選取一個(gè)整數(shù)m 作為自己的IP 地址，并使用一個(gè)隨機(jī)狀態(tài)作為其f（n）的初始值。

2）當(dāng)節(jié)點(diǎn)B 接近節(jié)點(diǎn)A 并要求節(jié)點(diǎn)A 分發(fā)一個(gè)IP 地址時(shí)，節(jié)點(diǎn)A 通過(guò)f（n）產(chǎn)生一個(gè)整數(shù)n 以及狀態(tài)值，并將其發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B。

3）節(jié)點(diǎn)B 接收到節(jié)點(diǎn)A 的消息后，將其IP 設(shè)定為n，狀態(tài)也做出相應(yīng)的更新，并將此狀態(tài)作為自己f（n）的初始值。

4）此時(shí)節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)B 均可以為其他節(jié)點(diǎn)分配IP 地址和相應(yīng)的狀態(tài)值。

在上述分配過(guò)程中，函數(shù)f（n）的設(shè)計(jì)決定了分配的IP地址是否具有不重復(fù)性（即有效性）[3]。 在借鑒數(shù)學(xué)計(jì)算理論的基礎(chǔ)上，函數(shù)設(shè)f（n）計(jì)如下：

作戰(zhàn)編隊(duì)節(jié)點(diǎn)建模為 （address，（e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8，e9）），其中（e1，e2，…，e9）數(shù)組表示節(jié)點(diǎn)自身的狀態(tài)；指數(shù)pi（i=1，2， …，9） 分 別 取1～24 的 質(zhì) 數(shù)；IP 地 址address 建 模 為address=（a+2e13e25e37e411e513e617e719e823e9）modrange+1（適用于節(jié)點(diǎn)A 外的其他所有節(jié)點(diǎn)）， 其中a 表示節(jié)點(diǎn)A 的IP 地址值，range 表示網(wǎng)絡(luò)地址總個(gè)數(shù)。 在地址分配過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)更新與產(chǎn)生遵從以下規(guī)則：①原來(lái)存在的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新時(shí)只需將其9 維數(shù)組中標(biāo)有下劃線的元素加1； ②新產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)與分配其IP 地址的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的元素相同， 只需將下劃線后移一維即可。

假 定 range 為 256， 初 始 節(jié) 點(diǎn) A 表 示 為 （0，（0，0，0，0，0，0，0，0）），節(jié)點(diǎn)A 通過(guò)函數(shù)f（n）可以得到一個(gè)整數(shù)2 和一個(gè)新狀態(tài)（1，，0，0，0，0，0，0），節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送它們給節(jié)點(diǎn)B，那么節(jié)點(diǎn)A 更新為（0，（，0，0，0，0，0，0）），節(jié)點(diǎn)B 可以表示為（2，（1，，0，0，0，0，0））。 此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直至產(chǎn)生256 個(gè)地址為止。 具體過(guò)程見圖1。

2 分配協(xié)議

分配協(xié)議清楚地表明了一個(gè)節(jié)點(diǎn)在加入作戰(zhàn)編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)前后狀態(tài)的變化[4]，過(guò)程如圖2 所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)更新與產(chǎn)生過(guò)程Fig. 1 The process of node updates and produce

圖2 預(yù)測(cè)分配協(xié)議Fig. 2 The prediction distribution protocol

1）節(jié)點(diǎn)在成功入網(wǎng)前需要開啟Ad Hoc 模式，對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行周期性地廣播播報(bào)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)從退網(wǎng)狀態(tài)切換到等待狀態(tài)。

2）在等待過(guò)程中，如果在廣播k 次時(shí)間內(nèi)接收到一個(gè)分組應(yīng)答，那么節(jié)點(diǎn)就使用該分組提供的IP 地址、狀態(tài)的初始值和網(wǎng)絡(luò)識(shí)別碼ID（Network ID）對(duì)自身進(jìn)行配置；如果在廣播k 次的時(shí)間內(nèi)未收到任何分組的應(yīng)答，則該節(jié)點(diǎn)自己隨意選擇一個(gè)IP 地址、狀態(tài)的初始值和網(wǎng)絡(luò)識(shí)別碼ID，完成對(duì)自身的配置。

3）節(jié)點(diǎn)重復(fù)廣播HELLO 消息，要求所有接收到其消息的其他節(jié)點(diǎn)回送它們的狀態(tài)，以更新自己的狀態(tài)。

4） 要是節(jié)點(diǎn)收到一條包含多個(gè)NID 的HELLO 消息，則啟用本地沖突檢測(cè)技術(shù)，待處理完畢后回到配置完成狀態(tài)。

5）節(jié)點(diǎn)需要退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，關(guān)閉Ad Hoc 模式即可完成退網(wǎng)，此時(shí)返回到退網(wǎng)狀態(tài)。

3 對(duì)于編隊(duì)分割與合并的處理

作戰(zhàn)編隊(duì)會(huì)根據(jù)實(shí)際空中態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適時(shí)的編隊(duì)分割與合并，達(dá)到指定技戰(zhàn)術(shù)的最佳攻擊效果和最小的戰(zhàn)斗力損失，以最小的代價(jià)換取最大的勝利[5]。

1）當(dāng)編隊(duì)進(jìn)行分組作戰(zhàn)時(shí)（以分割成2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)為例說(shuō)明）， 原來(lái)的MANET 網(wǎng)絡(luò)此時(shí)需要分割成MANET1 和MANET2 網(wǎng)絡(luò)。 在MANET1 網(wǎng)絡(luò)中任意挑選一個(gè)節(jié)點(diǎn)X，通過(guò)節(jié)點(diǎn)X 分組前的模型（address，（e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8，e9））來(lái)計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的NID，具體來(lái)說(shuō)即NID=（2e1+3e2+5e3+7e4+11e5+13e6+17e7+19e8+23e9）address； 節(jié)點(diǎn)X 在MANET 網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布一條包含作戰(zhàn)任務(wù)的HELLO 消息， 等待所有接到該作戰(zhàn)任務(wù)消息的節(jié)點(diǎn)的回復(fù)；節(jié)點(diǎn)X 在收到其他節(jié)點(diǎn)回復(fù)后等待一段時(shí)間，確定MANET1 網(wǎng)絡(luò)的成員；最后，節(jié)點(diǎn)X 在給MANET1網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)分配地址過(guò)程中將其NID 發(fā)送給新節(jié)點(diǎn)，這樣MANET1 網(wǎng)絡(luò)就具有一個(gè)統(tǒng)一的NID。 MANET2 網(wǎng)絡(luò)的NID 號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程參考MANET1 網(wǎng)絡(luò)即可。

2）當(dāng)作戰(zhàn)編隊(duì)進(jìn)行全體作戰(zhàn)時(shí)（以2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)合并為例說(shuō)明）， 原來(lái)的MANET1 和MANET2 網(wǎng)絡(luò)此時(shí)需要合并成MANET 網(wǎng)絡(luò)。 在MANET1 網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)P，節(jié)點(diǎn)P 向其周邊發(fā)布一條包含MANET1 網(wǎng)絡(luò)NID 號(hào)的HELLO 消息，等待一個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)Q（屬于MANET2 網(wǎng)絡(luò)）回復(fù)一個(gè)包含MANET2 網(wǎng)絡(luò)NID 號(hào)的HELLO 消息； 節(jié)點(diǎn)P 接到節(jié)點(diǎn)Q 的消息后，通過(guò)比較2 個(gè)NID 號(hào)的大小來(lái)決定是自己還是節(jié)點(diǎn)Q 放棄自己的現(xiàn)有IP 地址和NID 號(hào)； 假設(shè)是節(jié)點(diǎn)P 放棄IP地址和NID 號(hào)，那么節(jié)點(diǎn)P 需要向節(jié)點(diǎn)Q 發(fā)送一條請(qǐng)求新的IP 和NID 號(hào)的HELLO 消息； 節(jié)點(diǎn)Q 收到節(jié)點(diǎn)P 的請(qǐng)求后，將新的IP 和NID 號(hào)傳播給節(jié)點(diǎn)P；節(jié)點(diǎn)P 根據(jù)原來(lái)的成員列表， 在給MANET1 網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)分配新的IP 地址時(shí)同時(shí)發(fā)送一條包含新NID 的HELLO 消息，完成網(wǎng)絡(luò)合并。

4 性能仿真

預(yù)測(cè)分配法的性能可以從其通信開銷和時(shí)延兩方面來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)估[6]，通信開銷可以反映出該算法的實(shí)用價(jià)值，而時(shí)延特性可以反映出該算法的時(shí)敏特性。

1）假定節(jié)點(diǎn)總數(shù)為256 個(gè)，在實(shí)驗(yàn)中引入了經(jīng)典的沖突檢測(cè)分配算法（CDA，Confilict-Detection Allocation）作為對(duì)比對(duì)象。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 256 個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的地址分配通信開銷Fig. 3 The address distribution’s communication overhead of 256 nodes in the network

圖4 CDA/PA 的通信開銷比率曲線Fig. 4 The ratio curve of CDA/PA's communication overhead

圖3 的假設(shè)前提是所測(cè)試區(qū)域中網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)相同，通過(guò)圖中數(shù)據(jù)分析可知， 節(jié)點(diǎn)采用CDA 算法時(shí)的分組數(shù)目大約平均是10 500 個(gè)， 而采用PA 算法時(shí)平均只需分組數(shù)200 個(gè)左右即可。隨著網(wǎng)絡(luò)區(qū)域面積的增加，分組數(shù)都呈現(xiàn)降低的走勢(shì)。

圖4 中假設(shè)網(wǎng)絡(luò)全部節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域面積相同，通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，CDA/PA 比率曲線會(huì)逐漸近似與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目成正比，也就是說(shuō)，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，比率會(huì)越大，故預(yù)測(cè)分配法的通信開銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沖突檢測(cè)分配法。

2）對(duì)PA 時(shí)延特性進(jìn)行仿真時(shí)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有256 個(gè)節(jié)點(diǎn)，也同樣引入經(jīng)典的沖突檢測(cè)分配算法作為對(duì)比對(duì)象。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 256 個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的地址分配時(shí)延Fig. 5 The address distribution's delay of 256 nodes in the network

圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)地址分配的影響Fig. 6 The influence of node numbers to address distribution

從圖5 和圖6 中可以看出， 采用CDA 算法的節(jié)點(diǎn)平均需要進(jìn)行4 次地址檢測(cè)的重復(fù)廣播， 而采用PA 算法的節(jié)點(diǎn)只需要1.5 次左右的廣播即可；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，采用CPA 節(jié)點(diǎn)的時(shí)延會(huì)逐漸增加，而采用PA節(jié)點(diǎn)的時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量無(wú)關(guān)。這表明采用PA 算法后，可以大大縮短通信時(shí)間，提高通信效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

在空中作戰(zhàn)的背景下，設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)分配算法對(duì)作戰(zhàn)編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變更進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，最后通過(guò)與經(jīng)典的沖突分配算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)分配法的實(shí)用性，可以更有效地解決網(wǎng)絡(luò)分割與合并的問(wèn)題。 基于作戰(zhàn)編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)是戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)對(duì)作戰(zhàn)編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)研究，可以更進(jìn)一步地破解美軍新一代數(shù)據(jù)鏈TTNT 的技術(shù)機(jī)理， 為我軍的數(shù)據(jù)鏈路發(fā)展與完善添磚加瓦。

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