短波自组网网络层协议研究（二）
3 短波自组网网络层协议3.1短波信道的特点自从无线电通信技术发明以来，依靠电离层进行传播的高频通信就成为远距离无线通信的主要角色，至今已将近一百年的历史了。波长从10米到200米（相应频率为30～1.5MHz）范围内的无线电波传播，称为短波传播。而借助与短波传播方式来传输信息的通信形式，就叫做短波通信，也称为高频通信。短波可以沿着地表面以地波方式传播，也可以通过电离层反射以天波方式传播。短波用地波传播时，由于地波的衰减随着频率的升高而增加，我们通常用的发射功率的传播距离仅几十公里到几百公里，故这种传播方式在短波通信中起不了主要作用。短波用天波传播时，由于电离层的吸收随着频率的升高而减小，对短波的吸收不大，故可以通过电离层对短波的一次或多次反射实现远距离传播。通常，一次反射传输的最大距离可达4000km，多次反射可传输上万公里甚至作环球传播。因而，短波电离层反射传播是短波通信的主要传播方式。
在80年代前，卫星通信技术的迅速发展曾一度使短波通信受到冷落，但是自80年代后，短波通信又作为重要的通信手段之一而受到人们的重视。其主要原因是：
（1） 在计算机技术发展的带动下，短波通信在实时信道估算、自适应收发信机、自适应调制解调器、自适应均衡及检测、自适应天线阵等一系列技术上获得了进展，使短波通信有可能克服高干扰电平、衰落和多径传播等信道时变特性方面的困难，向实现数字化、低误码率、高速率和通信自动化的目标迈进。
（2） 随着太空技术的发展，一旦战争爆发，通信卫星是极易被摧毁的主要军事目标之一，且损坏后难以紧急修复。而短波通信目标小，不易被摧毁，即使遭受破坏也容易修复。因此，在战争状态下，短波通信的安全可靠度要高于卫星通信。鉴于这一点，短波通信在军事通信中获得了广泛的应用。
（3） 卫星通信技术要求高，造价昂贵。相反，短波通信由于技术相对简单，造价低，故一般国家都能部署使用。
（4） 短波通信设备体积小，便于移动，灵活机动，更适合于军事上使用，如车载、舰载、机载等。相应地，作为商业电台、业余电台、驻外使馆电台以及极区科学考察电台，它也是一种合适地通信手段。
（5） 在使用范围上，短波通信和卫星通信一样，可以实现全球通信。特别在低纬度地区，短波通信的可用频段变宽，最高可用频率较高，受到粒子沉降时间和地磁暴事件的影响较小，而卫星通信在低纬度地区受电离层或对流层的闪烁影响则较大。由于发展中国家在低纬度地区占多数，短波通信对他们更适用。
短波信道也存在如下缺点：
（1） 它只能提供相对无线局域网而言十分有限的传输带宽，一般认为只能达到数kbps到数十kbps。这使得要在其上传输大量的数据和语音业务变得十分困难，物理层提供如此低的传输带宽要求在设计上层协议时尽最大可能节省信道资源；
（2） 传输可靠性相对较差。短波信道是时变衰落信道，存在多普勒频移及多径衰落等多种不利因素，而电离层的异常中断也可能引起较长时间的通信中断。
对天波传输方式而言，短波信道是一种时变色散的信道，它利用电离层的反射传送信息。由于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机、有时空性的介质，因此短波信道存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散、近似高斯分布的白噪声和电台干扰等一系列复杂现象。多径延迟典型值2～8ms，多普勒频率扩展的典型值0.1Hz，多普勒频移在0.01～10Hz范围内变动，在高纬度地区多径延迟可达13ms以上，多普勒扩展可达73Hz。
故现代短波通信一般都采用实时链路质量分析（Link Quality Analysis，LQA）技术进行信道质量评价，它通过探测信道，估计信道参数为双方提供最佳的通信质量。
3.2短波自组网的应用需求3.2.1应用范围传统的HF通信业务（话、报、点对点数据）已不能适应数字化战场的应用需求，当前的HF网络需要支持更多的应用，并希望成为Internet的一部分。
HF网络由于其自身物理信道条件受限的原因，不适宜用作实时作战指挥信息、VOD等信息的传输。当前战场的实时指挥和调度多采用数据链（Data Link）技术，HF语音通信也仍沿用传统的电路交换手段。短波自组网的应用范围则定位为非实时的数据业务，如后勤保障、军需物资调度、日常通信手段，其中最重要的应用协议是HF email。
3.2.2 HF e-mail 广泛应用于Internet上的e-mail业务，采用存储转发机制和非实时传输模式，对带宽和信道质量的要求不高，在HF信道上容易实现，因而得到普遍的欢迎，成为HF网络的一个最重要应用。HF e-mail的传输可以发生在海上舰船之间，以及岸-船之间，短波通信网与Internet之间。
3.3第三代短波通信网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。网络控制器（HFNC）是HF 全自动短波网络中的一个重要设备，而路由协议则是其核心。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，并为了尽可能减小路由算法对信道的占用开销，第三代短波通信网定义了多种不同的路由协议，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。
3.3.1网络控制器
图3.1 网络控制器
图3.1描述了网络控制器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。
信息的存储转发功能从用户或传输层接收要传送的报文，该报文带有目的节点台站的网络层地址。通过路由选择功能，选择到该目的节点台站的路由，形成一个自动信息交换的AME报头，传送给自动信息交换功能发送。
自动信息交换功能接收来自存储转发功能的报文，将AME报头的第一个网络层地址看作接收站地址，并将该地址转换为ALE地址。在链路选择功能建立了到接收站的链路后，加装网络层报头，将信息传送到接收站。
路由是网络控制器的中心实体，网络的其它功能几乎都依赖于它和支持它。路由完成两种功能：路由选择和链路选择。路由选择功能使用路由表为用户业务信息通过网络寻找路由，使用路径质量矩阵和广播查询得到的连接数据来维护路由表；链路选择功能是按路由选择器指定的目的台站，选择到该台站的链路中最有效的数据链路。
当一个节点台站无法通过直接路由将报文传送到另一节点台站时，使用连接跟踪功能，以获得到另一节点台站的间接路由。连接数据的传输一是应某个节点台站的请求而进行；二是定期广播。一个节点台站向其它节点台站报告连接数据为连接交换；一个节点台站向其它节点台站请求到某一节点台站的连接数据为路由查询。
根据路由协议的不同，MIL-STD-188-141B将网络控制器分成不同的功能级（见表3.1），更高级别的功能级意味着更灵活的路由协议和更多的应用支持能力。
表3.1 高频网控器的功能级
功能级
能力
功能级1
最小网控器
(无路由表)
(无路径质量矩阵)
ALE电台控制（包括间接呼叫）
支持远程数据填充
自动信息交换
虚存储转发
Internet协议（可选项）
高频数据modem控制（可选项）
功能级2
基本高频网控器
(无路径质量矩阵)
(具有高频网控器功能级1的所有能力) –加上-
使用静态路由表的路由选择
信息存储转发
路由表数据填充
路由查询
转发器控制（可选项）
连接监控
多部电台和多个modem的控制（可选项）
功能级3
自适应高频网控器
(具有高频网控器功能级2的所有能力) –加上-
路径质量矩阵
连接交换 (CONEX)
自适应路由选择
功能级4
多媒体网关
(具有高频网控器功能级3的所有能力) –加上-
多媒体路由选择
Internet 协议（强制）
Internet 网关
3.3.2信息传送1.网络层报头
网络层报头如表3.2所示。一个网控器发往另一个网控器的所有信息都应加一个指示报文类型的一个ASCII字符作为网络层报头。当一个网控器接收到一条信息时，它会检查该ASCII字符，以决定报文格式和所使用的协议。
表3.2 网络层报头
报 头
报文类型
C
M
R
S
连接交换
信息交换（带AME报头）
中继管理
台站状态信息
2. AME报头
AME报头携带网络层使用的路由和交换信息。AME报头跟在单字符的网络层报头之后，见表3.3。
表3.3 AME报头
服务质量(1bit)
服务质量=0,强调传输速率（使用HDL）；服务质量=1,强调误码率（使用LDL）。（通常，报文长度小于500字节，SNR小于0db, 使用LDL）
优先级(3bit)
0为最低优先级。用于排队，决定链路建立顺序和传输顺序。
端口(4bit)
高频网控器指定的目的站端口，与七层模型中的网络服务访问点类似。
报头长度
整个AME报头长度的字节数。
信息长度
AME报头后所传信息长度的字数。（不包括AME报头）
中 继
零个或多个地址记录。强制中继时，必须按给定顺序中继；暗示中继时，其路由提供给路由选择器作参考。
目的地址
一个或多个地址记录。报文应传输给所有目的地址。
源地址
一个地址记录。最初发出报文的站点地址。
地址记录由一个8bit的标志和一串ASCII字符构成网络层地址。标志的最高位为1，其后2bit为记录类型：00为源地址、01为强制中继、10为暗示中继、11为目的地址。其后为5bit地址的字符数（一个网络层地址名最多可有32个ASCII字符）。网络层地址名中每个ASCII字符为8bit，其最高位为0。
图3.2给出了源地址为SAM，目的地址为JOE时的AME报头。
网络层报头 (8bit)
服务质量、优先级、端口(共8bit)
报头长度(8bit)
信息长度(16bit)
标志(目的地址)
01001101
0
000
0000
00001100
00000000 00000000
1
11
00011
字符J
字符O
字符E
标志(源地址)
字符S
0 100 1111
0 100 1111
0 100 0101
1
00
00011
0 101 0011
字符A
字符M
0 100 0001
0 100 1101
图3.2 AME报头举例
3.信息的存储转发
信息的存储转发功能从用户或传输层接收要传送的报文，该报文带有目的节点台站的网络层地址；
根据用户的优先级（由指挥关系等确定），进行排队；
通过路由选择功能，选择到目的节点台站的路由；
将下一个目的节点或中继节点相同的报文聚合成一组报文（避免重复申请链路，各报文由高层处理），形成一个用于自动信息交换的AME报头；
将AME报头传送给自动信息交换功能发送。
自动信息交换功能接收来自存储转发功能带有AME报头的报文；
将AME报头的第一个网络层地址看作下一个接收站点的地址；
并将该地址转换为数据链路层的ALE地址；
向链路选择功能申请建立到接收站点的链路；
链路选择功能请求数据链路层建立链路并得到数据链路层的链接状态；
在链路选择功能建立了到接收站的链路后，加装网络层报头“M” ，将信息传送到接收站。
当链路选择功能未能建立到接收站的链路时，自动信息交换AME将该报文作为不可传递的报文返回存储转发进程进行处理；
存储转发通过路由选择功能，查询到目的节点台站的迂回路由，将该报文传送给自动信息交换功能发送；
若各种迂回路由尝试后仍不能发送，则存储该报文直到建立链路后再传送。重新为该不可传递报文建立链路应在等待一段时间后进行。
当自动信息交换接收到带有网络层报头“M”的报文后，自动信息交换AME将去掉网络层报头“M” ，并将该报文传递给存储转发进程进行处理；
存储转发进程对每条接收报文AME报头中的目的站和中继站地址进行检查，并作如下处理：
如果接收报文AME报头中的目的站地址为本机地址，则将报文传送至AME报头中指定的端口；
如果接收报文AME报头中的目的站地址不是本机地址，则存储转发进程将该报文当作新的输入报文进行存储转发处理。
3.3.3路由协议分类
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AME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.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）下传报文给网络层时，各功能模块执行下列步骤完成分组的发送：
（1) 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；
（2）AME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；
（3）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；
（4）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MIL-STD-188-141B附录D中定义的高频中继管理（HRMP）。
HFNC通过HRMP询问和管理预设的中继站，HRMP是一个非连接性协议。每条HRMP信息涉及中继站、管理中继的控制站和由中继提供访问的远程站，在控制站和中继站之间进行信息交换。每条HRMP信息有三个站地址：发送信息站地址、一条要寻找的间接路径和接收信息站地址。中继器操作主要有路由查询（找一条至远程站的间接路径）、中继转发控制、连通性控制、连通性监控（向所有站点广播或向控制站报告连通性变化情况）。
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。
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。
设某一网络连接如图3.3所示。箭头指示连接的方向，每个箭头上的一对数字分别表示语音和数据路径质量。
图 3.3 网络连接举例
每个网络控制器都应维护一个唯一的路径质量矩阵。该路径质量矩阵记录到目的台站所有链路中的最佳路径，并为本地的用户信息提供自适应路由。
图3.3所示网络连接的路径质量矩阵见表3.4。路径质量矩阵的行表示台站A需要与之通信的目的台站，列表示台站A可直达的中继台站。表格中的四项内容分别为语音质量、数据质量、中继的台站数、寿命。
表3.4 路径质量矩阵举例
目的
中继
B
C
D
E
F
G
H
B*
14
14
0
1 s
13
13
1
59 m
9
8
2
5 hr
7
7
3
5hr
-
-
-
-
6
6
4
5hr
4
5
5
1d
C*
1
1
1
5hr
3
2
0
30m
1
1
1
5hr
0
0
2
5hr
-
-
-
-
0
0
3
5hr
0
0
4
5hr
D*
4
1
1
2hr
4
5
1
3hr
5
6
0
12hr
4
5
1
5m
-
-
-
-
3
4
2
5hr
1
3
3
5hr
…
…
…
…
…
…
…
…
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：
1)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；
2)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qvoice依据数据链路控制器提供的SINAD(Signal to Noise and Distortion Ratio)信息获得：若SINAD<2dB，则qvoice =0；若2dB<SINAD<26dB，则qvoice =SINAD/2；若SINAD>27dB，则qvoice =14；若SINAD未知，则qvoice =15。而单跳数据路径的质量qdata则依据下列式（3.1）求得：
qdata=7+log2(data rate/75/b/s)-ARQ Repeats （3.1）
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（Bit Error Rate）来评估:
BER<0.1 ARQ Repeats =0
0.1< BER < 0.199 ARQ Repeats =(BER-0.1)/(0.2-BER)
BER > 0.199 ARQ Repeats =100
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:
（1）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；
（2）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。与表3.4路径质量矩阵举例相对应的路由表见表3.5
表3.5路由表举例
目的
B
C
D
E
F
G
H
语音路由
B
14
0
1 s
B
13
1
59 m
B
9
2
5 hr
B
7
3
5 hr
-
-
-
-
B
6
4
5 hr
B
4
5
1 d
数据路由
B
14
0
1 s
B
13
1
59 m
B
8
2
5 hr
B
7
3
5 hr
-
-
-
-
B
6
4
5 hr
B
5
5
1 d
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。
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，一个典型的网关如图3.4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、高频网络管理（HFNM）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:
（1）TCP/IP协议的支持至少需要40字节长的包头，这对于带宽资源甚低的短波信道而言开销很大；
（2）TCP连接的建立需要三次握手；
（3）传统的TCP会使短波自组网分组丢失很严重。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网络吞吐性能作无谓的降低。
文献[45]对TCP协议在自组网中的性能问题进行了分析。
图3.4 HF网络与Internet间的网关
3.4各种路由协议的适用范围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。
3.4.1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。
3.4.2海上HF网络军事通信中，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，此时只能使用地波中继。可以使用分层的体系结构，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。
3.4.3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，IHFDN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、全球无线公司的海上数据网络正是这样做的。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。
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。
3.5短波自组网路由协议设计要求 路由算法通常具有下列设计目标的一个或多个：
（1）简单、低开销
（2）健壮、稳定
（3）快速收敛
（4）灵活、自适应
路由协议必须高效地提供其功能，尽量减少用户和网络的开销。当实现路由算法的软件必须运行在物理资源有限的计算机或无线网络中时尤其重要。
路由算法必须健壮，即在出现不正常或不可预见事件的情况下必须仍能正常处理，例如路由中断、高负载和路由出错时的情况。最好的路由算法通常是那些经过了时间考验，证实在各种网络条件下都很稳定的算法。
路由算法必须能快速收敛，收敛是指所有路由器对最佳路径达成一致的过程。当某网络事件使路径断掉或不可用时，网络节点通过网络分发路由更新信息，促使最佳路径的重新计算，最终使所有节点得到的最佳路由达成一致。收敛很慢的路由算法可能会产生路由环或网路中断。
在以上所有要求中，低开销的要求对于短波自组网而言更加严格，短波信道的通信带宽很低。
除此之外，由于短波信道的链路质量很不稳定、拓扑结构多样，势必给短波组网路由协议的设计增加新的要求，这些要求包括：
（1）进行链路质量分析，找到质量最佳的路由
有线网络的链路质量非常高，通常在选取路由时依据转发跳数找到最短路径；当前提出的ad hoc网路由协议草案多基于ISM频段，其链路质量也相对很好，所以路由算法中很少考虑链路质量。但是在短波信道条件下，并非最短的路由即为最佳路由，在链路质量较差的情况下，较短的路径很可能付出比较多跳数路由更大的传播开销（因更多的重传次数）。
（2）依据网络规模、拓朴变更情况选择路由
就路由协议本身而言，并无好坏可言。在短波情况下，并不是自适应路由一定较源路由和静态路由好，如果网络规模很小，彼此大多在单跳范围内或者网络的拓朴比较稳定，则完全没有必要使用自适应路由。
在自适应路由方面，由于短波自组网不用于实时业务的传输，可以容忍数据发送前较长的路由发现延迟，而按需驱动的路由协议较表驱动的路由协议消耗更少的系统带宽，所以短波自组网宜采用按需驱动的路由协议。
3.6小结短波信道抗毁性极强，适宜军事通信。而其本身的信道条件却很差，传输带宽低，信道不稳定，链路质量差。这决定了短波自组网不适宜实时业务的传输。而在众多的非实时业务中，采用存储转发机制和非实时传输模式的e-mail协议最宜在HF信道上实现，成为短波自组网的最重要应用。
鉴于短波自组网不用于实时业务的传输，能容忍按需驱动的路由协议数据发送前的路由建立延迟，而按需驱动路由协议又存在开销小的优点，所以宜在短波组网时采用该类路由协议。
美军标MIL-STD-188-141B附录D提供了多个路由协议思路，其中包括源路由、静态路由和自适应的CONEX路由协议。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。
月影孤鸿 21cnbao@sohu.com（华中科技大学计算机学院硕士研究生）
