互联网控制器DiffServ模块对战术互联网仿真的影响

张国辉，唐雪锋，王维锋，高 昂

(装甲兵工程学院 信息工程系，北京 100072)

【信息科学与控制工程】

互联网控制器DiffServ模块对战术互联网仿真的影响

张国辉，唐雪锋，王维锋，高 昂

(装甲兵工程学院 信息工程系，北京 100072)

为了研究互联网控制器仿真模型的DiffServ模块对战术互联网仿真的影响，分析了区分服务模型的体系结构，构建了包含DiffServ模块的互联网控制器仿真模型。在VRNET仿真平台上构建了不同地形条件下的战术互联网仿真网络，分别统计了包含DiffServ模块与不包含DiffServ模块的仿真模型的态势时延、数据时延、话音时延以及业务成功率。仿真结果表明：包含DiffServ模块相对于不包含DiffServ模块的仿真模型的态势业务量成功率略微提升，态势时延下降，而数据业务和语音业务成功率有所下降，数据时延和语音时延略微上升。

DiffServ；互联网控制器；仿真模型;战术互联网

战术互联网(Tactical Internet，TI)是互联的无线电台、计算机硬件和软件的集合。它是一种基于移动无线自组织网(Mobile ADHOC Network)体系结构的网络，是数字化部队建设的基础设施，为师以下的机动作战部队提供无缝通信连接[1]。战术互联网仿真系统是以战术互联网为对象，建立连接旅、营、连、排各级指挥车的战术互联网，主要业务功能是态势感知信息、指挥控制信息和实时话音业务，可以模拟真实系统环境，实现分布式网络的数据和话音通信功能。互联网控制器是战术互联网仿真中的关键设备，主要功能是解决不同网络间的数据接入、交换和路由。互联网控制器(Internet Controller,INC)采用无线分组网技术和路由交换等技术，主要解决各种不同无线数据网络间以及无线和有线网络之间的数据接入、交换和路由功能，可以直接和战术终端进行连接，为网络用户提供数据服务。INC适应战术互联网仿真中通信设备快速移动、快速组网的需求，同时保证部队“动中通”的能力，保障指挥单位在高度机动时的通信指挥需求。区分服务(DiffServ)是为IP网络中的服务品质(Qos)提供保证的技术手段，它能够为不同Qos要求的应用提供不同的服务优先级，从而提高网络的服务品质。本文的目的是为了探究战术互联网仿真中互联网控制器仿真模型是否包含DiffServ模块对网络仿真结果的影响。

衡量战术互联网仿真网络中通信业务量的参数主要包括态势时延、话音时延和数据时延。为了分析DiffServ模块对战术互联网仿真中通信业务量的影响，在详细分析DiffServ体系结构的基础上，构建了包含DiffServ模块互联网控制器仿真模型。在VRNET仿真平台上搭建战术互联网仿真网络，其中互联网控制器模型分别采用包含DiffServ模块与不包含DiffServ模块的仿真模型。通过运行仿真，分别统计其通信业务量参数，最后对统计结果进行分析。

1 DiffServ体系结构

DiffServ体系结构于1998年由Steven Blake和David L.Black等起草，其基本思想是给数据流分级，即边界节点根据用户的流规定和资源预留信息将进入网络的流分类、整形、聚合为不同的流聚集[2]。这种聚集信息存储在每个IP包头的DS标记域中，称为DS标记(DiffServ CodePoint,DSCP)；内部节点在调度转发IP包时根据包头的DSCP选择提供特定品质的转发服务，其外特性称为逐跳转发行为(Per Hop Behavior,PHB)。网络边界对单流做分类聚合与网络内部对聚集流提供特定品质的调度转发服务，这两个过程通过IP包头内的DSCP协同起来。DS标记域定义为原IPv4包头的TOS字节或Ipv6包头的流类型字节的前6位[3]。

DiffServ体系结构如图1所示，DS域(DiffServ Domain)是由一些相邻的DS节点构成的集合，遵循统一的服务提供策略并实现一致地PHB组。边界路由器(Edge Router)主要实现传输的分类(Classification)和流量的调节(Conditioning)，保存流的状态信息，根据预定的流规格对进入/离开DS域的流进行调节，使输入/输出流符合预先指定的传输调节协议(Traffic Conditioning Agreement,TCA)，并在包头标记DSCP值，分类归入行为聚集；核心路由器(Core Router)则实现一组或若干组PHB，PHB是根据DSCP值所选择的特定调度转发行为的外特性描述。在DS域内，转发节点是按照PHB进行的，在每一传输段逐段保证PHB行为是DiffServ的最大特点，也是区分服务分段保证端到端Qos的基础[4]。

图1 DiffServ体系结构

边界路由器对流进行分类和调节，并将其归入某个行为聚集，标记相应的DSCP值，其结构如图2所示[5]。IP数据包首先通过分类器进行分类，而后测量器对数据流的速率进行测量，并根据测量的结果控制标记器对数据包头进行DSCP标记；而满足流量要求的数据包将被丢弃，之后数据包将通过队列调度机制发送给下一节点。

图2 边界路由器结构

DiffServ重新定义了IPv4中的服务类型(Type of Services,TOS)字节和IPv6中的通信类(Traffic Class,TC)字节的前6位，标准化为区分服务码点(Differentiated Services Code Point,DSCP),如图3所示。在默认情况下，该值为0，对应尽力而为服务。通过标记不同的DSCP值，选择相应的转发处理行为PHB[6]。

P2-P0:IP优先级字段；D：0-常规则地延，1-低时延； T：0-常规吞吐量，1-高吞吐量； R：0-常规可靠性； 1-高可靠性；CU：未用，置0。

图3 TOS字节

2 互联网控制器仿真模型

互联网控制器用于战术互联网设备间的组网，它能够为战术电台网内各平台以及平台内各通信设备提供路由功能，实现平台内各设备的综合集成以及各平台的网络一体化。互联网控制器运行两种路由协议：RIP和OLSR，其中RIP协议用于有线侧(以太网设备)的路由，OLSR用于无线侧(电台)的路由。

互联网控制器模型是战术互联网模型的核心设备模型，负责子网内各个车辆之间的路由建立和维护、工作电台选择、设备接入、数据转发等功能。

VRNET Developer是一种集成网络仿真平台，包含大量战术互联网的协议模型、设备模型、平台模型和网络模型，具备良好的开放性和扩展性，能够很好地按照需求构建仿真系统，非常适合集成大规模网络仿真[7]。

在VRNET Developer仿真平台中构建互联网控制器仿真模型，其中不包含DiffServ模块的互联网控制器模型如图4所示。

图4 不包含DiffServ模块的互联网控制器

包含DiffServ模块的互联网控制器模型如图5所示。

图5 包含DiffServ模块的互联网控制器

在VRNET Developer仿真平台中，DiffServ模块的具体实现代码如下：

DiffServ模块：

simple DiffServ

{

parameters:

string queueType = default("");//队列类型

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

int queueSize = default(100);//队列大小

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

gates:

input upperIn[];//输入端口

output lowerOut[];//输出端口

}

仿真模型中各个模块的功能如表1所示。

表1 仿真模型中各模块功能

为了方便描述，将不包含DiffServ模块的互联网控制器模型称为粗粒度模型，将包含DiffServ模块的互联网控制器模型称为细粒度模型。

3 仿真实验

3.1 网络仿真环境搭建

在VRNET Developer网络仿真平台中创建仿真网络，网络拓扑结构如图6所示。战术互联网为三层体系结构，通过网关节点相连，作为一个整体进行仿真。第一层为战术互联网骨干网(旅营网)，由骨干网节点组成，其中与第二层子网交叠的节点为营指挥所，其余两个节点为旅指挥所。营指挥所又充当网关节点，既和上级(旅指挥所)进行通信，又与下级(连指挥车)进行通信。骨干网中的每个营指挥所与各自下级的连指挥车组成第二层网络(营连网)。营连网中的连指挥车同样充当网关节点，同时与上级(营指挥所)和下级(排指挥车及普通战斗车辆)进行通信，与其下级组成战术互联网的第三层子网(连排网)[8-9]。选择不同的地形仿真环境，网络模型结构图7,图8所示。

图6 战术互联网拓扑

图7 平原地形仿真环境

图8 山区地形仿真环境

在VRNET仿真平台上构建网络，运行仿真。网络地形选择平原和山区，三层网络结构设置如表2所示，超短波电台模型和宽带电台模型调制方法设置为BPSK，最大速率分别为32 kbps，128 kbps，带宽分别为100 kHz、1 000 kHz。旅营网的超短波载频设置为30 MHz，功率20 W，营连网载频31 MHz，功率30 W，连排网载频32 MHz，功率20 W。数据报文大小按一至五级分别设置为300Byte，250Byte，200Byte，150Byte，100Byte。节点发起各等级业务的比率都为20%，流量模型设置为自相似流量模型，语音业务和数据业务通过pareto重尾分布的ON/OFF数据源产生[10]。

表2 战术互联网网络结构

3.2 仿真结果

在不同地形的仿真场景中，分别运行包含粗粒度互联网控制器模型仿真网络和细粒度互联网控制器模型仿真网络，其态势时延仿真结果如图9～图12所示，数据时延仿真结果如图13～图16所示，话音时延仿真结果如图17～图20所示，仿真结果如表3、表4所示。

图9 粗粒度平原地形态势时延

图10 细粒度平原地形态势时延

图11 粗粒度山区地形态势时延

图12 细粒度山区地形态势时延

图13 粗粒度平原数据时延

图14 细粒度平原数据时延

图15 粗粒度山区数据时延

图16 细粒度山区数据时延

图17 粗粒度平原话音时延

图18 细粒度平原话音时延

图19 粗粒度山区话音时延

模型粒度运行环境持续时间/s业务成功率通信数据态势语音态势时延/s上行下行数据时延/s话音时延/s粗粒度平原10000．97680．99870．94350．97600．23360．23400．48370．0126细粒度平原10000．97390．99940．93640．97980．23460．24020．47570．0122粗粒度山区10000．96090．99720．91120．97140．23400．23530．49020．0127细粒度山区10000．95340．99860．89250．97340．24310．24490．49000．0126

表4 粗细粒度业务相对变化率 %

图20 细粒度山区话音时延

`

仿真结果表明：不管是山区地形还是平原地形，粗粒度模型与细粒度模型相比，态势业务量成功率略微提升，态势时延下降，而数据业务和语音业务成功率有所下降，数据时延和语音时延略微上升。粗粒度模型中去掉了diffServ模块，缺少了IP层Qos机制，导致数据和语音的传输品质下降，同时态势业务不经过该处理，降低了传输的复杂度，时延有所下降，相同仿真时间内态势业务的成功率有所增加。对于战术互联网模型要求高品质的数据和话音业务，则应该选择细粒度仿真模型。综合业务及时延的变化，均在+5%误差范围内，正确反映了两种粒度模型在仿真环境中的性能。

4 结束语

DiffServ模块增加了互联网控制器仿真模型的精细程度，使得模型变得更加复杂化。由于增加了DiffServ模块的Qos机制，提高了仿真网络中的传输品质，但同时增加了时延。通过搭建山区和平原两种地形的仿真环境，对不同分辨率模型中的部分功能在仿真网络中进行分析，正确反映了互联网控制器仿真模型在不同仿真环境中对网络性能带来的影响。

不同的仿真场景可以根据具体的仿真需求灵活选用粗粒度或细粒度的互联网控制器仿真模型，对于战术互联网仿真的研究有一定的参考价值。

[1] 董超,田畅,倪明放,等.仿真在战术互联网效能评估中的应用[J].计算机仿真,2007,24(9):1-4.

[2] HSU W H,PS Y,YEH S C.Diff Serv-based bandwidth-constrained anycast routing in a mobile IPv6 network[J].International Journal of Communication Systems,2011,24(2):139-152.

[3] 程浩,史杏荣.基于IEEE802.11e和DiffServ的端到端QoS结构[J].计算机工程,2006,32(18):100-102.

[4] 张丹青,李名世,许建东.DiffServ性能的仿真评价研究[J].系统仿真学报,2004,16(12):2880-2883.

[5] 张蕾,苏锦海,张永福.OPNET环境下DiffServ机制的仿真[J].计算机工程,2007,33(4):94-96.

[6] SHI HH,XU X,WANG YJ.QoS Control Strategy Simulation and Analysis Based on DiffServ[J].Advanced Materials Research,2012,538-541:669-672.

[7] 霍景河,张金强.基于VRNET Developer 的美军战术互联网典型案例仿真[J].四川兵工学报,2014(9):81-84.

[8] 张占军,周兴乾.基于VRNET Developer的网络仿真及其应用[J].四川兵工学报,2013,34(2):96-99.

[9] 霍景河,尚世锋,翟腾飞,等.基于VRNET Developer的战术通信网仿真分析[J].计算机与现代化,2013(9):130-132.

[10]董保良,周兴乾.基于VRNET Developer的战术互联网仿真[J].四川兵工学报,2013,34(7):83-87.

[11]陈植林，蔡晓霞，陈红，等.战术互联网子网干扰效果评估[J].火力与指挥控制，2016(4):126-130.

(责任编辑杨继森)

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

国家自然科学基金(61302110)

张国辉(1980—)，男，博士，讲师，主要从事通信网络方面的研究；唐雪锋(1991—)，男，硕士研究生，主要从事仿真模型的可信性研究；王维锋(1969—)，男，博士，教授，硕士生导师，主要从事指挥信息系统仿真；高昂(1988—)，男，硕士研究生，主要从事战术互联网仿真方面的研究。

10.11809/scbgxb2017.01.022

张国辉，唐雪锋，王维锋，等.互联网控制器DiffServ模块对战术互联网仿真的影响[J].兵器装备工程学报，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

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