空間信息網(wǎng)絡(luò )DTN互聯(lián)方法研究論文

　　當前通信網(wǎng)絡(luò )的應用范圍飛速擴展，地面有線(xiàn)網(wǎng)、地面無(wú)線(xiàn)網(wǎng)、空間衛星網(wǎng)均已成為承載網(wǎng)絡(luò )，信息在傳輸過(guò)程中可能會(huì )經(jīng)歷幾種不同的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，端與端之間的通信不再是單一的協(xié)議形式．而空間網(wǎng)絡(luò )通信的主要挑戰來(lái)自于鏈路誤碼率高、傳輸時(shí)延長(cháng)、上下行帶寬不對稱(chēng)、鏈路可用時(shí)間有限、拓撲變化頻繁等，此外不同空間位置（遠地鏈路、星間鏈路、星地鏈路等）的通信子網(wǎng)也有很大的性能差異［１］，使其難以實(shí)現傳統地面網(wǎng)絡(luò )技術(shù)所達到的Ｑｏｓ及可靠性要求，要想使其成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )系統的一個(gè)重要且可靠的組成部分，則需要針對以上挑戰設計有效的協(xié)議體系．目前面向空間網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議主要分為４類(lèi)：ＣＣＳ－ＤＳ協(xié)議體系［２］、ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議體系［３］、ＣＣＳＤＳ與ＴＣＰ／ＩＰ結合的協(xié)議體系［４］、ＤＴＮ協(xié)議體系．基于ＤＴＮ的協(xié)議體系相比其他體系，在空間網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下具有更好的性能和可擴展性［５］，被ＣＣＳＤＳ作為空間網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的發(fā)展方向．隨著(zhù)天地一體化的發(fā)展，基于ＤＴＮ的空間網(wǎng)絡(luò )與基于ＴＣＰ／ＩＰ的地面網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)問(wèn)題亟待解決，本文面向此問(wèn)題提出ＤＴＮ環(huán)境下異構協(xié)議網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的設計方法，并通過(guò)半物理仿真實(shí)驗對其性能進(jìn)行分析．

　　１相關(guān)工作

　　目前很多針對空間網(wǎng)絡(luò )異構性的研究面向改進(jìn)傳統的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議［６，７］，使之適應空間通信的特點(diǎn)，但這些工作未實(shí)現根本機制的改變，所實(shí)現的性能改善程度有限．文獻［８－１０］在地面節點(diǎn)上實(shí)現了互聯(lián)衛星網(wǎng)和地面網(wǎng)的功能，但沒(méi)有考慮到衛星網(wǎng)中的間斷連通特性．空間網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)根本特點(diǎn)是鏈路通斷切換頻繁，必須以ＤＴＮ的角度展開(kāi)設計，文獻［１１］設計了面向ＤＴＮ的協(xié)議適配網(wǎng)關(guān)，但主要面向各種版本ＴＣＰ協(xié)議的兼容．為了促進(jìn)ＤＴＮ的快速部署以及與傳統ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)，ＮＡＳＡ提出了ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＤＴＮ方案［１２］．其核心思想是在網(wǎng)絡(luò )中優(yōu)先采用ＩＰ技術(shù)，只有當數據通過(guò)受限網(wǎng)絡(luò )或者網(wǎng)絡(luò )出現鏈路中斷時(shí)才將ＩＰ包封裝到ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ包中，由ＤＴＮ繼續完成數據的傳輸．這種方案的優(yōu)點(diǎn)是既可以利用ＤＴＮ技術(shù)在受限網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下保證數據的可靠傳輸，又不用犧牲ＩＰ技術(shù)的高效性和兼容性，但由于將ＩＰ包直接封裝到Ｂｕｎｄｌｅ包中，這種方案有較大的開(kāi)銷(xiāo)．本文的異構協(xié)議互聯(lián)方法則采用協(xié)議代理方案實(shí)現空間節點(diǎn)上的ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)及協(xié)議轉換功能．該方案不僅開(kāi)銷(xiāo)小，而且突破了ＤＴＮ網(wǎng)絡(luò )對傳統ＴＣＰ應用的限制．

　　２協(xié)議代理方案

　　空間異構協(xié)議互聯(lián)方法在客戶(hù)端和服務(wù)器端使用標準的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧，在ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò )與ＤＴＮ網(wǎng)絡(luò )的交界處由ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)實(shí)現ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議與ＤＴＮ協(xié)議間的轉換．ＤＴＮ的核心思想是在應用層與下層之間引入“Ｂｕｎｄｌｅ層”作為連接不同網(wǎng)絡(luò )的覆蓋層．Ｂｕｎｄｌｅ層可以通過(guò)匯聚層適配器（如ＴＣＰ適配器、ＵＤＰ適配器等）在ＩＰ網(wǎng)絡(luò )之上傳輸ＤＴＮ流量，從而實(shí)現ＤＴＮ網(wǎng)絡(luò )與ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)．應用層協(xié)議需要基于Ｂｕｎｄｌｅ層接口進(jìn)行重構，但目前傳統ＩＰ應用所提供的功能在這種協(xié)議體系下還不夠成熟．為了實(shí)現Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議與ＴＣＰ協(xié)議（衛星鏈路對ＴＣＰ／ＩＰ數據傳輸的影響主要體現在ＴＣＰ協(xié)議）的轉換，需要定義一個(gè)合適的`映射協(xié)議，解決應用協(xié)議負載的傳遞、地址映射、傳輸可靠性等問(wèn)題．以下是協(xié)議代理中實(shí)現的主要功能：１）ＡＣＫ欺騙：客戶(hù)端的ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)會(huì )偽裝成服務(wù)器與客戶(hù)端建立并維持ＴＣＰ連接．這需要客戶(hù)端將ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)設置為代理服務(wù)器或者直接將ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)設置為默認網(wǎng)關(guān)．另外還要在ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)上設置需要代理的協(xié)議，并監聽(tīng)相應的ＴＣＰ端口．２）地址映射：ＤＴＮ端點(diǎn)和應用可以用端點(diǎn)號（ＥＩＤ）來(lái)標識，本文所使用的ＥＩＤ格式為：應用協(xié)議名：／／ＩＰ地址／傳輸層協(xié)議／端口號例如，ＩＰ地址為１９２．１６８．１．１００的客戶(hù)端的ＨＴＴＰ應用的ＥＩＤ為ＨＴＴＰ：／／１９２．１６８．１．１００／ＴＣＰ／８０．當客戶(hù)端應用第一次與ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)建立ＴＣＰ連接時(shí)，ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)按照這一格式自動(dòng)根據源和目的ＩＰ地址、應用協(xié)議名、傳輸層協(xié)議、端口號等信息生成相應的源和目的ＥＩＤ，并且在該ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)的Ｂｕｎｄｌｅ層中為代理的客戶(hù)端應用注冊ＥＩＤ．而靠近服務(wù)器方的ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)則采用后綁定的方式在Ｂｕｎｄｌｅ層中注冊該目的ＥＩＤ，從目的ＥＩＤ中解析出應用協(xié)議名、服務(wù)器ＩＰ地址、傳輸層協(xié)議和端口等信息，主動(dòng)與服務(wù)器建立連接．３）應用數據的封裝和解封裝：已經(jīng)在Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議中注冊ＥＩＤ的應用可以使用Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議提供的服務(wù)發(fā)送和接收數據．當收到普通應用發(fā)過(guò)來(lái)的數據時(shí)，ＴＣＰ代理需要從ＴＣＰ協(xié)議中取出應用數據，然后調用Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議服務(wù)，把應用數據封裝成Ｂｕｎｄｌｅ包發(fā)送出去．當ＴＣＰ代理收到Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議交付的數據時(shí)，會(huì )從相應的ＴＣＰ連接把應用數據發(fā)送出去．此外，在調用Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議的服務(wù)時(shí)，需要提供Ｂｕｎｄｌｅ的處理控制參數，指定Ｂｕｎｄｌｅ所要提供的服務(wù)，如是否允許Ｂｕｎｄｌｅ分片、是否需要托管傳輸、是否需要狀態(tài)報告等．這些參數需要ＴＣＰ代理根據應用的特點(diǎn)以及預先配置的規則決定．

　　３空間ＤＴＮ轉發(fā)節點(diǎn)設計

　�。模裕尾捎卯惒酵ㄐ拍Ｊ剑�類(lèi)似Ｅｍａｉｌ），通過(guò)ＤＴＮ路由轉發(fā)Ｂｕｎｄｌｅ包以實(shí)現源節點(diǎn)到目的節點(diǎn)的信息傳輸．ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ層處于應用層之下，但Ｂｕｎｄｌｅ下層不一定是傳輸層，也可以是鏈路層．這種結構可以實(shí)現任意下層協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò )間的互聯(lián)．在托管模式下，ＤＴＮ路由通過(guò)將交付責任委派給下一個(gè)有能力交付的ＤＴＮ路由來(lái)確保數據的可靠傳輸．Ｂｕｎｄｌｅ可以通過(guò)狀態(tài)報告傳送數據交付過(guò)程中的狀態(tài)信息，如來(lái)自中間路由的轉發(fā)和托管信號以及來(lái)自目的節點(diǎn)的交付信號．ＣＣＳＤＳ針對空間通信的特點(diǎn)提出了一系列鏈路層協(xié)議，在圖１所示的空間ＤＴＮ轉發(fā)系統架構中，采用ＩＰＯＶＥＲＣＣＳＤＳＡＯＳ［１３］作為鏈路層協(xié)議，可用于空對空、空對地和地對空的通信鏈路中，在ＣＣＳＤＳ鏈路上實(shí)現ＩＰ數據報的攜帶、建立路由、交換和空間ＩＰ網(wǎng)際元素的管理等，使空間和地面采用一致的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，實(shí)現天基網(wǎng)絡(luò )與地基網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接；采用ＳＣＰＳ－ＴＰ［１４］作為傳輸層協(xié)議，與ＴＣＰ協(xié)議和ＵＤＰ協(xié)議保持良好的兼容和互操作性；在地面站以及星上局域網(wǎng)中則采用標準的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧．ＤＴＮ轉發(fā)節點(diǎn)的具體設計如圖２所示，Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議代理包括５個(gè)模塊：Ｂｕｎｄｌｅ管理、Ｂｕｎｄｌｅ路由、鏈路管理、匯聚層適配器和鄰居發(fā)現．其中Ｂｕｎｄｌｅ管理實(shí)現了Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議的核心功能，包括Ｂｕｎｄｌｅ封裝、注冊、保管傳輸、分片與重組、Ｂｕｎｄｌｅ冗余等；考慮到衛星都按規劃的軌道運行，星間、星地間的連通性可以推導出來(lái)，故Ｂｕｎｄｌｅ路由模塊實(shí)現了靜態(tài)路由和接觸圖路由［１５］；鄰居發(fā)現模塊用于發(fā)現周?chē)�鄰節點(diǎn)；鏈路管理模塊利用鄰居發(fā)現模塊提供的接觸信息來(lái)管理鏈路有效性信息；匯聚層適配器利用匯聚層的服務(wù)發(fā)送和接受Ｂｕｎｄｌｅ包．Ｂｕｎｄｌｅ進(jìn)程中添加的本地協(xié)議代理模塊實(shí)現了傳輸層代理的功能，包括ＩＰ過(guò)濾、傳輸層欺騙和自動(dòng)注冊等．使用本地代理前，需要先設置過(guò)濾條件，ＤＴＮ轉發(fā)節點(diǎn)起到網(wǎng)關(guān)的作用，會(huì )將符合過(guò)濾規則的ＩＰ包提交給上層，經(jīng)過(guò)傳輸層提取出數據，然后交給本地代理，本地代理根據傳輸層協(xié)議以及端口號區分不同應用，自動(dòng)為它們注冊ＥＩＤ．注冊成功后，來(lái)自Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應用的數據會(huì )直接交給Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議代理，由Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議代理對數據進(jìn)行Ｂｕｎｄｌｅ封裝、發(fā)起托管傳輸，當Ｂｕｎｄｌｅ包到達目的端ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)時(shí)，本地代理會(huì )自動(dòng)為目的節點(diǎn)應用在目的端ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行注冊，注冊成功后，ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)發(fā)起交付規程將數據從Ｂｕｎｄｌｅ包中解封并交付給目的節點(diǎn)．

　　４半物理仿真與驗證

　�。矗�１實(shí)驗場(chǎng)景設置

　　半物理仿真的目的是用真實(shí)的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應用驗證ＤＴＮ互聯(lián)方法的功能，其實(shí)現基于來(lái)自ＯＰＮＥＴＭｏｄｅｌｅｒ１４．５的系統在環(huán)（ＳｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅＬｏｏｐ，簡(jiǎn)稱(chēng)ＳＩＴＬ）模塊，提供物理網(wǎng)絡(luò )與ＯＰＮＥＴ仿真網(wǎng)絡(luò )連接的接口，通過(guò)真實(shí)數據包與虛擬數據包格式的轉換來(lái)完成數據包在真實(shí)網(wǎng)絡(luò )與虛擬網(wǎng)絡(luò )間的流動(dòng)．圖３為半物理仿真場(chǎng)景圖，總共使用３臺計算機，ＰＣ１和ＰＣ３分別運行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的客戶(hù)端和服務(wù)器，而ＰＣ２運行ＯＰＮＥＴ仿真場(chǎng)景，它具有兩個(gè)網(wǎng)卡，分別連接到ＰＣ１和ＰＣ３．ＯＰＮＥＴ仿真場(chǎng)景中，兩個(gè)ＳＩＴＬ模塊用于數據的實(shí)虛轉換，兩個(gè)ＤＴＮ轉發(fā)節點(diǎn)用作網(wǎng)關(guān)，分別為ＰＣ１和ＰＣ２上的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應用提供本地代理以及接入ＤＴＮ網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)．圖４為基于ＯＰＮＥＴ的空間網(wǎng)絡(luò )域，ｍｅｏ＿ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿４為一顆中軌衛星，ｇｅｏ＿ｓｕｂｎｅｔ＿１為一顆同步衛星，它們的軌道通過(guò)ＳＴＫ生成然后導入ＯＰ－ＮＥＴ中，Ｇｒｏｕｄ－ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿６為地面站，中軌衛星和地面站中分別包含了一個(gè)ＳＴＩＬ模塊和一個(gè)ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)（Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿１和Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿３為ＳＩＴＬ模塊，ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ１和ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ２為星地間綜合網(wǎng)關(guān)結點(diǎn)），同步衛星中包含一個(gè)ＤＴＮ路由節點(diǎn)．以上場(chǎng)景中中軌衛星與地面站是不可見(jiàn)的，需要通過(guò)同步衛星進(jìn)行路由轉發(fā)．為了模擬節點(diǎn)移動(dòng)造成的鏈路中斷，采用ＯＰＮＥＴ中的節點(diǎn)失效模型，讓同步衛星節點(diǎn)在２０～３０ｓ、４０～５０ｓ、６０～７０ｓ、８０～９０ｓ、１００～１１０ｓ、１２０～１３０ｓ等時(shí)間段內失效.

　�。矗�２基于Ｉｐｅｒｆ的實(shí)驗結果與分析

　　基于Ｉｐｅｒｆ［１６］展開(kāi)網(wǎng)絡(luò )性能測試，客戶(hù)端向服務(wù)器端發(fā)送數據流，服務(wù)器監聽(tīng)接收來(lái)自客戶(hù)端的數據，統計收包速率、丟包率和延遲抖動(dòng)．客戶(hù)端向服務(wù)器的ＵＤＰ協(xié)議的５００１端口發(fā)送數據包，發(fā)送速率為１Ｍｂｐｓ／ｓ，ＵＤＰ包大小為１ｋｂｙｔｅ．圖５（ａ）為采用ＩＰ互聯(lián)測試的結果，實(shí)線(xiàn)為客戶(hù)端發(fā)送數據，虛線(xiàn)為服務(wù)器收到的數據，結果顯示在沒(méi)有端到端連接的這段時(shí)間內，客戶(hù)端發(fā)送的數據全部丟失．圖５（ｂ）為ＤＴＮ互聯(lián)方法的測試結果，結果顯示雖然沒(méi)有端到端的連接，數據仍可以通過(guò)保管轉發(fā)，最終交付給服務(wù)器．統計結果顯示，使用ＩＰ互聯(lián)方法的丟包率為３３％，使用ＤＴＮ互聯(lián)方法的丟包率為０．

　�。矗�３ＶＬＣ視頻點(diǎn)播實(shí)驗結果與分析

　�。郑蹋茫ǎ郑椋洌澹铮蹋粒危茫欤椋澹睿簦┦牵郑椋洌澹铮蹋粒危郏保罚萦媱澋拈_(kāi)源多媒體播放器，它能作為單播或多播的流服務(wù)器在ＩＰｖ４或ＩＰｖ６的高速網(wǎng)絡(luò )連接下使用．客戶(hù)端向服務(wù)器的１０００１端口發(fā)送一個(gè)視頻流．格式為ａｖｉ，分辨率為１１０４×６２２，速率１２１０ｋｂｐｓ．圖６（ａ）為使用ＩＰ互聯(lián)方法傳輸視頻的統計結果，在鏈路斷開(kāi)時(shí)傳輸的視頻流丟失．圖６（ｂ）為使用ＤＴＮ互聯(lián)方法傳輸視頻的統計結果，可以看到在鏈路重新連接上時(shí)，服務(wù)器收到的數據遠比客戶(hù)端發(fā)送的數據多，這些多出來(lái)的數據就是ＤＴＮ互聯(lián)方法在鏈路斷開(kāi)時(shí)間內所保管的視頻流數據．

　　５結語(yǔ)

　　開(kāi)發(fā)具有協(xié)議代理功能的空間ＤＴＮ轉發(fā)節點(diǎn)，實(shí)現了其中Ｂｕｎｄｌｅ層的關(guān)鍵功能，能實(shí)現ＣＣＳ－ＤＳ協(xié)議體系、ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議體系、ＤＴＮ協(xié)議體系的功能一體化．設計半物理仿真環(huán)境模擬異構協(xié)議空間通信場(chǎng)景，在其中對比了采用傳統ＩＰ互聯(lián)方法和本文的ＤＴＮ互聯(lián)方法進(jìn)行ＵＤＰ數據流和視頻流業(yè)務(wù)傳輸的性能，結果體現了ＤＴＮ互聯(lián)方法在數據保管能力上的優(yōu)越性．

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