互聯(lián)網(wǎng)控制器DiffServ模塊對戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的影響

張國輝，唐雪鋒，王維鋒，高 昂

(裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系，北京 100072)

【信息科學(xué)與控制工程】

互聯(lián)網(wǎng)控制器DiffServ模塊對戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的影響

張國輝，唐雪鋒，王維鋒，高 昂

(裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系，北京 100072)

為了研究互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型的DiffServ模塊對戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的影響，分析了區(qū)分服務(wù)模型的體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型。在VRNET仿真平臺上構(gòu)建了不同地形條件下的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真網(wǎng)絡(luò)，分別統(tǒng)計了包含DiffServ模塊與不包含DiffServ模塊的仿真模型的態(tài)勢時延、數(shù)據(jù)時延、話音時延以及業(yè)務(wù)成功率。仿真結(jié)果表明：包含DiffServ模塊相對于不包含DiffServ模塊的仿真模型的態(tài)勢業(yè)務(wù)量成功率略微提升，態(tài)勢時延下降，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)成功率有所下降，數(shù)據(jù)時延和語音時延略微上升。

DiffServ；互聯(lián)網(wǎng)控制器；仿真模型;戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)(Tactical Internet，TI)是互聯(lián)的無線電臺、計算機硬件和軟件的集合。它是一種基于移動無線自組織網(wǎng)(Mobile ADHOC Network)體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，是數(shù)字化部隊建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，為師以下的機動作戰(zhàn)部隊提供無縫通信連接[1]。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)是以戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)為對象，建立連接旅、營、連、排各級指揮車的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，主要業(yè)務(wù)功能是態(tài)勢感知信息、指揮控制信息和實時話音業(yè)務(wù)，可以模擬真實系統(tǒng)環(huán)境，實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和話音通信功能?；ヂ?lián)網(wǎng)控制器是戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中的關(guān)鍵設(shè)備，主要功能是解決不同網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)接入、交換和路由?；ヂ?lián)網(wǎng)控制器(Internet Controller,INC)采用無線分組網(wǎng)技術(shù)和路由交換等技術(shù)，主要解決各種不同無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)間以及無線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)接入、交換和路由功能，可以直接和戰(zhàn)術(shù)終端進行連接，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。INC適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中通信設(shè)備快速移動、快速組網(wǎng)的需求，同時保證部隊“動中通”的能力，保障指揮單位在高度機動時的通信指揮需求。區(qū)分服務(wù)(DiffServ)是為IP網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)品質(zhì)(Qos)提供保證的技術(shù)手段，它能夠為不同Qos要求的應(yīng)用提供不同的服務(wù)優(yōu)先級，從而提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)品質(zhì)。本文的目的是為了探究戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型是否包含DiffServ模塊對網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果的影響。

衡量戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真網(wǎng)絡(luò)中通信業(yè)務(wù)量的參數(shù)主要包括態(tài)勢時延、話音時延和數(shù)據(jù)時延。為了分析DiffServ模塊對戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中通信業(yè)務(wù)量的影響，在詳細分析DiffServ體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含DiffServ模塊互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型。在VRNET仿真平臺上搭建戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真網(wǎng)絡(luò)，其中互聯(lián)網(wǎng)控制器模型分別采用包含DiffServ模塊與不包含DiffServ模塊的仿真模型。通過運行仿真，分別統(tǒng)計其通信業(yè)務(wù)量參數(shù)，最后對統(tǒng)計結(jié)果進行分析。

1 DiffServ體系結(jié)構(gòu)

DiffServ體系結(jié)構(gòu)于1998年由Steven Blake和David L.Black等起草，其基本思想是給數(shù)據(jù)流分級，即邊界節(jié)點根據(jù)用戶的流規(guī)定和資源預(yù)留信息將進入網(wǎng)絡(luò)的流分類、整形、聚合為不同的流聚集[2]。這種聚集信息存儲在每個IP包頭的DS標記域中，稱為DS標記(DiffServ CodePoint,DSCP)；內(nèi)部節(jié)點在調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)IP包時根據(jù)包頭的DSCP選擇提供特定品質(zhì)的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，其外特性稱為逐跳轉(zhuǎn)發(fā)行為(Per Hop Behavior,PHB)。網(wǎng)絡(luò)邊界對單流做分類聚合與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對聚集流提供特定品質(zhì)的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，這兩個過程通過IP包頭內(nèi)的DSCP協(xié)同起來。DS標記域定義為原IPv4包頭的TOS字節(jié)或Ipv6包頭的流類型字節(jié)的前6位[3]。

DiffServ體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，DS域(DiffServ Domain)是由一些相鄰的DS節(jié)點構(gòu)成的集合，遵循統(tǒng)一的服務(wù)提供策略并實現(xiàn)一致地PHB組。邊界路由器(Edge Router)主要實現(xiàn)傳輸?shù)姆诸?Classification)和流量的調(diào)節(jié)(Conditioning)，保存流的狀態(tài)信息，根據(jù)預(yù)定的流規(guī)格對進入/離開DS域的流進行調(diào)節(jié)，使輸入/輸出流符合預(yù)先指定的傳輸調(diào)節(jié)協(xié)議(Traffic Conditioning Agreement,TCA)，并在包頭標記DSCP值，分類歸入行為聚集；核心路由器(Core Router)則實現(xiàn)一組或若干組PHB，PHB是根據(jù)DSCP值所選擇的特定調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)行為的外特性描述。在DS域內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點是按照PHB進行的，在每一傳輸段逐段保證PHB行為是DiffServ的最大特點，也是區(qū)分服務(wù)分段保證端到端Qos的基礎(chǔ)[4]。

圖1 DiffServ體系結(jié)構(gòu)

邊界路由器對流進行分類和調(diào)節(jié)，并將其歸入某個行為聚集，標記相應(yīng)的DSCP值，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。IP數(shù)據(jù)包首先通過分類器進行分類，而后測量器對數(shù)據(jù)流的速率進行測量，并根據(jù)測量的結(jié)果控制標記器對數(shù)據(jù)包頭進行DSCP標記；而滿足流量要求的數(shù)據(jù)包將被丟棄，之后數(shù)據(jù)包將通過隊列調(diào)度機制發(fā)送給下一節(jié)點。

圖2 邊界路由器結(jié)構(gòu)

DiffServ重新定義了IPv4中的服務(wù)類型(Type of Services,TOS)字節(jié)和IPv6中的通信類(Traffic Class,TC)字節(jié)的前6位，標準化為區(qū)分服務(wù)碼點(Differentiated Services Code Point,DSCP),如圖3所示。在默認情況下，該值為0，對應(yīng)盡力而為服務(wù)。通過標記不同的DSCP值，選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理行為PHB[6]。

P2-P0:IP優(yōu)先級字段；D：0-常規(guī)則地延，1-低時延； T：0-常規(guī)吞吐量，1-高吞吐量； R：0-常規(guī)可靠性； 1-高可靠性；CU：未用，置0。

圖3 TOS字節(jié)

2 互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型

互聯(lián)網(wǎng)控制器用于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的組網(wǎng)，它能夠為戰(zhàn)術(shù)電臺網(wǎng)內(nèi)各平臺以及平臺內(nèi)各通信設(shè)備提供路由功能，實現(xiàn)平臺內(nèi)各設(shè)備的綜合集成以及各平臺的網(wǎng)絡(luò)一體化?；ヂ?lián)網(wǎng)控制器運行兩種路由協(xié)議：RIP和OLSR，其中RIP協(xié)議用于有線側(cè)(以太網(wǎng)設(shè)備)的路由，OLSR用于無線側(cè)(電臺)的路由。

互聯(lián)網(wǎng)控制器模型是戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)模型的核心設(shè)備模型，負責(zé)子網(wǎng)內(nèi)各個車輛之間的路由建立和維護、工作電臺選擇、設(shè)備接入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

VRNET Developer是一種集成網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，包含大量戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議模型、設(shè)備模型、平臺模型和網(wǎng)絡(luò)模型，具備良好的開放性和擴展性，能夠很好地按照需求構(gòu)建仿真系統(tǒng)，非常適合集成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真[7]。

在VRNET Developer仿真平臺中構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型，其中不包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器模型如圖4所示。

圖4 不包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器

包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器模型如圖5所示。

圖5 包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器

在VRNET Developer仿真平臺中，DiffServ模塊的具體實現(xiàn)代碼如下：

DiffServ模塊：

simple DiffServ

{

parameters:

string queueType = default("");//隊列類型

int linkRate @unit("bps") = default(2Mbps);//連接速率

int queueSize = default(100);//隊列大小

@display("i=block/bucket");

gates:

input upperIn[];//輸入端口

output lowerOut[];//輸出端口

}

仿真模型中各個模塊的功能如表1所示。

表1 仿真模型中各模塊功能

為了方便描述，將不包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器模型稱為粗粒度模型，將包含DiffServ模塊的互聯(lián)網(wǎng)控制器模型稱為細粒度模型。

3 仿真實驗

3.1 網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境搭建

在VRNET Developer網(wǎng)絡(luò)仿真平臺中創(chuàng)建仿真網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)為三層體系結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點相連，作為一個整體進行仿真。第一層為戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)(旅營網(wǎng))，由骨干網(wǎng)節(jié)點組成，其中與第二層子網(wǎng)交疊的節(jié)點為營指揮所，其余兩個節(jié)點為旅指揮所。營指揮所又充當網(wǎng)關(guān)節(jié)點，既和上級(旅指揮所)進行通信，又與下級(連指揮車)進行通信。骨干網(wǎng)中的每個營指揮所與各自下級的連指揮車組成第二層網(wǎng)絡(luò)(營連網(wǎng))。營連網(wǎng)中的連指揮車同樣充當網(wǎng)關(guān)節(jié)點，同時與上級(營指揮所)和下級(排指揮車及普通戰(zhàn)斗車輛)進行通信，與其下級組成戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的第三層子網(wǎng)(連排網(wǎng))[8-9]。選擇不同的地形仿真環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖7,圖8所示。

圖6 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)拓撲

圖7 平原地形仿真環(huán)境

圖8 山區(qū)地形仿真環(huán)境

在VRNET仿真平臺上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，運行仿真。網(wǎng)絡(luò)地形選擇平原和山區(qū)，三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置如表2所示，超短波電臺模型和寬帶電臺模型調(diào)制方法設(shè)置為BPSK，最大速率分別為32 kbps，128 kbps，帶寬分別為100 kHz、1 000 kHz。旅營網(wǎng)的超短波載頻設(shè)置為30 MHz，功率20 W，營連網(wǎng)載頻31 MHz，功率30 W，連排網(wǎng)載頻32 MHz，功率20 W。數(shù)據(jù)報文大小按一至五級分別設(shè)置為300Byte，250Byte，200Byte，150Byte，100Byte。節(jié)點發(fā)起各等級業(yè)務(wù)的比率都為20%，流量模型設(shè)置為自相似流量模型，語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過pareto重尾分布的ON/OFF數(shù)據(jù)源產(chǎn)生[10]。

表2 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 仿真結(jié)果

在不同地形的仿真場景中，分別運行包含粗粒度互聯(lián)網(wǎng)控制器模型仿真網(wǎng)絡(luò)和細粒度互聯(lián)網(wǎng)控制器模型仿真網(wǎng)絡(luò)，其態(tài)勢時延仿真結(jié)果如圖9～圖12所示，數(shù)據(jù)時延仿真結(jié)果如圖13～圖16所示，話音時延仿真結(jié)果如圖17～圖20所示，仿真結(jié)果如表3、表4所示。

圖9 粗粒度平原地形態(tài)勢時延

圖10 細粒度平原地形態(tài)勢時延

圖11 粗粒度山區(qū)地形態(tài)勢時延

圖12 細粒度山區(qū)地形態(tài)勢時延

圖13 粗粒度平原數(shù)據(jù)時延

圖14 細粒度平原數(shù)據(jù)時延

圖15 粗粒度山區(qū)數(shù)據(jù)時延

圖16 細粒度山區(qū)數(shù)據(jù)時延

圖17 粗粒度平原話音時延

圖18 細粒度平原話音時延

圖19 粗粒度山區(qū)話音時延

模型粒度運行環(huán)境持續(xù)時間/s業(yè)務(wù)成功率通信數(shù)據(jù)態(tài)勢語音態(tài)勢時延/s上行下行數(shù)據(jù)時延/s話音時延/s粗粒度平原10000．97680．99870．94350．97600．23360．23400．48370．0126細粒度平原10000．97390．99940．93640．97980．23460．24020．47570．0122粗粒度山區(qū)10000．96090．99720．91120．97140．23400．23530．49020．0127細粒度山區(qū)10000．95340．99860．89250．97340．24310．24490．49000．0126

表4 粗細粒度業(yè)務(wù)相對變化率 %

圖20 細粒度山區(qū)話音時延

`

仿真結(jié)果表明：不管是山區(qū)地形還是平原地形，粗粒度模型與細粒度模型相比，態(tài)勢業(yè)務(wù)量成功率略微提升，態(tài)勢時延下降，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)成功率有所下降，數(shù)據(jù)時延和語音時延略微上升。粗粒度模型中去掉了diffServ模塊，缺少了IP層Qos機制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)和語音的傳輸品質(zhì)下降，同時態(tài)勢業(yè)務(wù)不經(jīng)過該處理，降低了傳輸?shù)膹?fù)雜度，時延有所下降，相同仿真時間內(nèi)態(tài)勢業(yè)務(wù)的成功率有所增加。對于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)模型要求高品質(zhì)的數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)，則應(yīng)該選擇細粒度仿真模型。綜合業(yè)務(wù)及時延的變化，均在+5%誤差范圍內(nèi)，正確反映了兩種粒度模型在仿真環(huán)境中的性能。

4 結(jié)束語

DiffServ模塊增加了互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型的精細程度，使得模型變得更加復(fù)雜化。由于增加了DiffServ模塊的Qos機制，提高了仿真網(wǎng)絡(luò)中的傳輸品質(zhì)，但同時增加了時延。通過搭建山區(qū)和平原兩種地形的仿真環(huán)境，對不同分辨率模型中的部分功能在仿真網(wǎng)絡(luò)中進行分析，正確反映了互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型在不同仿真環(huán)境中對網(wǎng)絡(luò)性能帶來的影響。

不同的仿真場景可以根據(jù)具體的仿真需求靈活選用粗粒度或細粒度的互聯(lián)網(wǎng)控制器仿真模型，對于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的研究有一定的參考價值。

[1] 董超,田暢,倪明放,等.仿真在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評估中的應(yīng)用[J].計算機仿真,2007,24(9):1-4.

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Influence of Internet Controller DiffServ Module on Tactical Internet Simulation

ZHANG Guo-hui, TANG Xue-feng, WANG Wei-feng, GAO Ang

(Department of Information Engineering, Academy of Armored Forces Engineering of PLA, Beijing 100072, China)

In order to study the influence of the Differentiated Services (DiffServ) module of the Internet controller simulation model on the tactical Internet simulation, this paper analyzed the system structure of the DiffServ module. The Internet controller simulation model with DiffServ module was constructed. Tactical Internet simulation networks under different terrain conditions were constructed on the VRNET simulation platform, respectively. The statistics of the situation time delay, data delay, voice delay and service success rate of the simulation model including the DiffServ module and not including the DiffServ module were analyzed respectively. Compared to not including DiffServ module of the simulation model, the simulation results show that business situation success rate of the simulation model contained DiffServ module has slightly improved, and its state delay decreases, and its data service and voice service success rate declines and the data delay and latency voice slightly rises.

DiffServ; Internet controller; simulation model; tactical Internet

2016-08-25；

2016-09-27

國家自然科學(xué)基金(61302110)

張國輝(1980—)，男，博士，講師，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)方面的研究；唐雪鋒(1991—)，男，碩士研究生，主要從事仿真模型的可信性研究；王維鋒(1969—)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事指揮信息系統(tǒng)仿真；高昂(1988—)，男，碩士研究生，主要從事戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真方面的研究。

10.11809/scbgxb2017.01.022

張國輝，唐雪鋒，王維鋒，等.互聯(lián)網(wǎng)控制器DiffServ模塊對戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(1):91-96.

format:ZHANG Guo-hui, TANG Xue-feng, WANG Wei-feng, et al.Influence of Internet Controller DiffServ Module on Tactical Internet Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):91-96.

TP391.9

A