空間信息網(wǎng)絡(luò)DTN互聯(lián)方法研究論文

　　當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍飛速擴(kuò)展，地面有線網(wǎng)、地面無線網(wǎng)、空間衛(wèi)星網(wǎng)均已成為承載網(wǎng)絡(luò)，信息在傳輸過程中可能會經(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(zhàn)來自于鏈路誤碼率高、傳輸時(shí)延長、上下行帶寬不對稱、鏈路可用時(shí)間有限、拓?fù)渥兓�頻繁等，此外不同空間位置（遠(yuǎn)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(xiàn)傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所達(dá)到的Ｑｏｓ及可靠性要求，要想使其成為未來網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)重要且可靠的組成部分，則需要針對以上挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)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：ＣＣＳ－ＤＳ協(xié)議體系［２］、ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議體系［３］、ＣＣＳＤＳ與ＴＣＰ／ＩＰ結(jié)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(kuò)展性［５］，被ＣＣＳＤＳ作為空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的發(fā)展方向．隨著天地一體化的發(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)問題亟待解決，本文面向此問題提出ＤＴＮ環(huán)境下異構(gòu)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，并通過半物理仿真實(shí)驗(yàn)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(gòu)性的研究面向改進(jìn)傳統(tǒng)的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議［６，７］，使之適應(yīng)空間通信的特點(diǎn)，但這些工作未實(shí)現(xiàn)根本機(jī)制的改變，所實(shí)現(xiàn)的性能改善程度有限．文獻(xiàn)［８－１０］在地面節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)衛(wèi)星網(wǎng)和地面網(wǎng)的功能，但沒有考慮到衛(wèi)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的角度展開設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［１１］設(shè)計(jì)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(tǒng)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(dāng)數(shù)據(jù)通過受限網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)鏈路中斷時(shí)才將ＩＰ包封裝到ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ包中，由ＤＴＮ繼續(xù)完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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銷．本文的異構(gòu)協(xié)議互聯(lián)方法則采用協(xié)議代理方案實(shí)現(xiàn)空間節(jié)點(diǎn)上的ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)及協(xié)議轉(zhuǎn)換功能．該方案不僅開銷小，而且突破了ＤＴＮ網(wǎng)絡(luò)對傳統(tǒng)ＴＣＰ應(yīng)用的限制．

　　２協(xié)議代理方案

　　空間異構(gòu)協(xié)議互聯(lián)方法在客戶端和服務(wù)器端使用標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議與ＤＴＮ協(xié)議間的轉(zhuǎn)換．ＤＴＮ的核心思想是在應(yīng)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(xiàn)ＤＴＮ網(wǎng)絡(luò)與ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)．應(yīng)用層協(xié)議需要基于Ｂｕｎｄｌｅ層接口進(jìn)行重構(gòu)，但目前傳統(tǒng)ＩＰ應(yīng)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(xiàn)Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議與ＴＣＰ協(xié)議（衛(wèi)星鏈路對ＴＣＰ／ＩＰ數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懼饕�體現(xiàn)在ＴＣＰ協(xié)議）的轉(zhuǎn)換，需要定義一個(gè)合適的`映射協(xié)議，解決應(yīng)用協(xié)議負(fù)載的傳遞、地址映射、傳輸可靠性等問題．以下是協(xié)議代理中實(shí)現(xiàn)的主要功能：１）ＡＣＫ欺騙：客戶端的ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)會偽裝成服務(wù)器與客戶端建立并維持ＴＣＰ連接．這需要客戶端將ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)設(shè)置為代理服務(wù)器或者直接將ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)設(shè)置為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)．另外還要在ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)上設(shè)置需要代理的協(xié)議，并監(jiān)聽相應(yīng)的ＴＣＰ端口．２）地址映射：ＤＴＮ端點(diǎn)和應(yīng)用可以用端點(diǎn)號（ＥＩＤ）來標(biāo)識，本文所使用的ＥＩＤ格式為：應(yīng)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的客戶端的ＨＴＴＰ應(yīng)用的ＥＩＤ為ＨＴＴＰ：／／１９２．１６８．１．１００／ＴＣＰ／８０．當(dāng)客戶端應(yīng)用第一次與ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)建立ＴＣＰ連接時(shí)，ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)按照這一格式自動根據(jù)源和目的ＩＰ地址、應(yīng)用協(xié)議名、傳輸層協(xié)議、端口號等信息生成相應(yīng)的源和目的ＥＩＤ，并且在該ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)的Ｂｕｎｄｌｅ層中為代理的客戶端應(yīng)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(yīng)用協(xié)議名、服務(wù)器ＩＰ地址、傳輸層協(xié)議和端口等信息，主動與服務(wù)器建立連接．３）應(yīng)用數(shù)據(jù)的封裝和解封裝：已經(jīng)在Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議中注冊ＥＩＤ的應(yīng)用可以使用Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議提供的服務(wù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)．當(dāng)收到普通應(yīng)用發(fā)過來的數(shù)據(jù)時(shí)，ＴＣＰ代理需要從ＴＣＰ協(xié)議中取出應(yīng)用數(shù)據(jù)，然后調(diào)用Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議服務(wù)，把應(yīng)用數(shù)據(jù)封裝成Ｂｕｎｄｌｅ包發(fā)送出去．當(dāng)ＴＣＰ代理收到Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議交付的數(shù)據(jù)時(shí)，會從相應(yīng)的ＴＣＰ連接把應(yīng)用數(shù)據(jù)發(fā)送出去．此外，在調(diào)用Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議的服務(wù)時(shí)，需要提供Ｂｕｎｄｌｅ的處理控制參數(shù)，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(bào)告等．這些參數(shù)需要ＴＣＰ代理根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)以及預(yù)先配置的規(guī)則決定．

　　３空間ＤＴＮ轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　ＤＴＮ采用異步通信模式（類似Ｅｍａｉｌ），通過ＤＴＮ路由轉(zhuǎn)發(fā)Ｂｕｎｄｌｅ包以實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信息傳輸．ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ層處于應(yīng)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(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)任意下層協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)．在托管模式下，ＤＴＮ路由通過將交付責(zé)任委派給下一個(gè)有能力交付的ＤＴＮ路由來確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸．Ｂｕｎｄｌｅ可以通過狀態(tài)報(bào)告?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)交付過程中的狀態(tài)信息，如來自中間路由的轉(zhuǎn)發(fā)和托管信號以及來自目的節(jié)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(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)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(xiàn)ＩＰ數(shù)據(jù)報(bào)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(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)與地基網(wǎng)絡(luò)的無縫連接；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(biāo)準(zhǔn)的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧．ＤＴＮ轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的具體設(shè)計(jì)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(xiàn)．其中Ｂｕｎｄｌｅ管理實(shí)現(xiàn)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(wèi)星都按規(guī)劃的軌道運(yùn)行，星間、星地間的連通性可以推導(dǎo)出來，故Ｂｕｎｄｌｅ路由模塊實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)路由和接觸圖路由［１５］；鄰居發(fā)現(xiàn)模塊用于發(fā)現(xiàn)周圍鄰節(jié)點(diǎn)；鏈路管理模塊利用鄰居發(fā)現(xiàn)模塊提供的接觸信息來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(xiàn)了傳輸層代理的功能，包括ＩＰ過濾、傳輸層欺騙和自動注冊等．使用本地代理前，需要先設(shè)置過濾條件，ＤＴＮ轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)起到網(wǎng)關(guān)的作用，會將符合過濾規(guī)則的ＩＰ包提交給上層，經(jīng)過傳輸層提取出數(shù)據(jù)，然后交給本地代理，本地代理根據(jù)傳輸層協(xié)議以及端口號區(qū)分不同應(yīng)用，自動為它們注冊ＥＩＤ．注冊成功后，來自Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應(yīng)用的數(shù)據(jù)會直接交給Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議代理，由Ｂｕｎｄｌｅ協(xié)議代理對數(shù)據(jù)進(jìn)行Ｂｕｎｄｌｅ封裝、發(fā)起托管傳輸，當(dāng)Ｂｕｎｄｌｅ包到達(dá)目的端ＤＴＮ網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，本地代理會自動為目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)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(guī)程將數(shù)據(jù)從Ｂｕｎｄｌｅ包中解封并交付給目的節(jié)點(diǎn)．

　　４半物理仿真與驗(yàn)證

　　４．１實(shí)驗(yàn)場景設(shè)置

　　半物理仿真的目的是用真實(shí)的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應(yīng)用驗(yàn)證ＤＴＮ互聯(lián)方法的功能，其實(shí)現(xiàn)基于來自ＯＰＮＥＴＭｏｄｅｌｅｒ１４．５的系統(tǒng)在環(huán)（ＳｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅＬｏｏｐ，簡稱ＳＩＴＬ）模塊，提供物理網(wǎng)絡(luò)與ＯＰＮＥＴ仿真網(wǎng)絡(luò)連接的接口，通過真實(shí)數(shù)據(jù)包與虛擬數(shù)據(jù)包格式的轉(zhuǎn)換來完成數(shù)據(jù)包在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)與虛擬網(wǎng)絡(luò)間的流動．圖３為半物理仿真場景圖，總共使用３臺計(jì)算機(jī)，ＰＣ１和ＰＣ３分別運(yùn)行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的客戶端和服務(wù)器，而ＰＣ２運(yùn)行ＯＰＮＥＴ仿真場景，它具有兩個(gè)網(wǎng)卡，分別連接到ＰＣ１和ＰＣ３．ＯＰＮＥＴ仿真場景中，兩個(gè)ＳＩＴＬ模塊用于數(shù)據(jù)的實(shí)虛轉(zhuǎn)換，兩個(gè)ＤＴＮ轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)用作網(wǎng)關(guān)，分別為ＰＣ１和ＰＣ２上的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應(yīng)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(wèi)星，ｇｅｏ＿ｓｕｂｎｅｔ＿１為一顆同步衛(wèi)星，它們的軌道通過ＳＴＫ生成然后導(dǎo)入ＯＰ－ＮＥＴ中，Ｇｒｏｕｄ－ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿６為地面站，中軌衛(wèi)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(jié)點(diǎn)），同步衛(wèi)星中包含一個(gè)ＤＴＮ路由節(jié)點(diǎn)．以上場景中中軌衛(wèi)星與地面站是不可見的，需要通過同步衛(wèi)星進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)．為了模擬節(jié)點(diǎn)移動造成的鏈路中斷，采用ＯＰＮＥＴ中的節(jié)點(diǎn)失效模型，讓同步衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在２０～３０ｓ、４０～５０ｓ、６０～７０ｓ、８０～９０ｓ、１００～１１０ｓ、１２０～１３０ｓ等時(shí)間段內(nèi)失效.

　　４．２基于Ｉｐｅｒｆ的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　基于Ｉｐｅｒｆ［１６］展開網(wǎng)絡(luò)性能測試，客戶端向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)流，服務(wù)器監(jiān)聽接收來自客戶端的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)收包速率、丟包率和延遲抖動．客戶端向服務(wù)器的ＵＤＰ協(xié)議的５００１端口發(fā)送數(shù)據(jù)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(jié)果，實(shí)線為客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，虛線為服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示在沒有端到端連接的這段時(shí)間內(nèi)，客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)全部丟失．圖５（ｂ）為ＤＴＮ互聯(lián)方法的測試結(jié)果，結(jié)果顯示雖然沒有端到端的連接，數(shù)據(jù)仍可以通過保管轉(zhuǎn)發(fā)，最終交付給服務(wù)器．統(tǒng)計(jì)結(jié)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．

　　４．３ＶＬＣ視頻點(diǎn)播實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　ＶＬＣ（ＶｉｄｅｏＬＡＮＣｌｉｅｎｔ）是ＶｉｄｅｏＬＡＮ［１７］計(jì)劃的開源多媒體播放器，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(tǒng)計(jì)結(jié)果，在鏈路斷開時(shí)傳輸?shù)囊曨l流丟失．圖６（ｂ）為使用ＤＴＮ互聯(lián)方法傳輸視頻的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看到在鏈路重新連接上時(shí)，服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)比客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)多，這些多出來的數(shù)據(jù)就是ＤＴＮ互聯(lián)方法在鏈路斷開時(shí)間內(nèi)所保管的視頻流數(shù)據(jù)．

　　５結(jié)語

　　開發(fā)具有協(xié)議代理功能的空間ＤＴＮ轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了其中Ｂｕｎｄｌｅ層的關(guān)鍵功能，能實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)半物理仿真環(huán)境模擬異構(gòu)協(xié)議空間通信場景，在其中對比了采用傳統(tǒng)ＩＰ互聯(lián)方法和本文的ＤＴＮ互聯(lián)方法進(jìn)行ＵＤＰ數(shù)據(jù)流和視頻流業(yè)務(wù)傳輸?shù)男阅埽�結(jié)果體現(xiàn)了ＤＴＮ互聯(lián)方法在數(shù)據(jù)保管能力上的優(yōu)越性．

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