空間信息網絡DTN互聯方法研究論文

當前通信網絡的應用範圍飛速擴展，地面有線網、地面無線網、空間衞星網均已成為承載網絡，信息在傳輸過程中可能會經歷幾種不同的網絡環境，端與端之間的通信不再是單一的協議形式．而空間網絡通信的主要挑戰來自於鏈路誤碼率高、傳輸時延長、上下行帶寬不對稱、鏈路可用時間有限、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）的通信子網也有很大的性能差異［１］，使其難以實現傳統地面網絡技術所達到的Ｑｏｓ及可靠性要求，要想使其成為未來網絡系統的一個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議體系．目前面向空間網絡的協議主要分為４類：ＣＣＳ－ＤＳ協議體系［２］、ＴＣＰ／ＩＰ協議體系［３］、ＣＣＳＤＳ與ＴＣＰ／ＩＰ結合的協議體系［４］、ＤＴＮ協議體系．基於ＤＴＮ的協議體系相比其他體系，在空間網絡環境下具有更好的性能和可擴展性［５］，被ＣＣＳＤＳ作為空間網絡互聯的發展方向．隨着天地一體化的發展，基於ＤＴＮ的空間網絡與基於ＴＣＰ／ＩＰ的地面網絡的互聯問題亟待解決，本文面向此問題提出ＤＴＮ環境下異構協議網絡互聯的設計方法，並通過半物理仿真實驗對其性能進行分析．

１相關工作

目前很多針對空間網絡異構性的研究面向改進傳統的ＴＣＰ／ＩＰ協議［６，７］，使之適應空間通信的特點，但這些工作未實現根本機制的改變，所實現的性能改善程度有限．文獻［８－１０］在地面節點上實現了互聯衞星網和地面網的功能，但沒有考慮到衞星網中的間斷連通特性．空間網絡的一個根本特點是鏈路通斷切換頻繁，必須以ＤＴＮ的角度展開設計，文獻［１１］設計了面向ＤＴＮ的協議適配網關，但主要面向各種版本ＴＣＰ協議的兼容．為了促進ＤＴＮ的快速部署以及與傳統ＴＣＰ／ＩＰ網絡的互聯，ＮＡＳＡ提出了ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＤＴＮ方案［１２］．其核心思想是在網絡中優先採用ＩＰ技術，只有當數據通過受限網絡或者網絡出現鏈路中斷時才將ＩＰ包封裝到ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ包中，由ＤＴＮ繼續完成數據的傳輸．這種方案的優點是既可以利用ＤＴＮ技術在受限網絡環境下保證數據的可靠傳輸，又不用犧牲ＩＰ技術的高效性和兼容性，但由於將ＩＰ包直接封裝到Ｂｕｎｄｌｅ包中，這種方案有較大的開銷．本文的異構協議互聯方法則採用協議代理方案實現空間節點上的ＤＴＮ網關及協議轉換功能．該方案不僅開銷小，而且突破了ＤＴＮ網絡對傳統ＴＣＰ應用的限制．

２協議代理方案

空間異構協議互聯方法在客户端和服務器端使用標準的ＴＣＰ／ＩＰ協議棧，在ＴＣＰ／ＩＰ網絡與ＤＴＮ網絡的交界處由ＤＴＮ網關實現ＴＣＰ／ＩＰ協議與ＤＴＮ協議間的轉換．ＤＴＮ的核心思想是在應用層與下層之間引入“Ｂｕｎｄｌｅ層”作為連接不同網絡的覆蓋層．Ｂｕｎｄｌｅ層可以通過匯聚層適配器（如ＴＣＰ適配器、ＵＤＰ適配器等）在ＩＰ網絡之上載輸ＤＴＮ流量，從而實現ＤＴＮ網絡與ＴＣＰ／ＩＰ網絡的互聯．應用層協議需要基於Ｂｕｎｄｌｅ層接口進行重構，但目前傳統ＩＰ應用所提供的功能在這種協議體系下還不夠成熟．為了實現Ｂｕｎｄｌｅ協議與ＴＣＰ協議（衞星鏈路對ＴＣＰ／ＩＰ數據傳輸的影響主要體現在ＴＣＰ協議）的轉換，需要定義一個合適的映射協議，解決應用協議負載的傳遞、地址映射、傳輸可靠性等問題．以下是協議代理中實現的主要功能：１）ＡＣＫ欺騙：客户端的ＤＴＮ網關會偽裝成服務器與客户端建立並維持ＴＣＰ連接．這需要客户端將ＤＴＮ網關設置為代理服務器或者直接將ＤＴＮ網關設置為默認網關．另外還要在ＤＴＮ網關上設置需要代理的協議，並監聽相應的ＴＣＰ端口．２）地址映射：ＤＴＮ端點和應用可以用端點號（ＥＩＤ）來標識，本文所使用的ＥＩＤ格式為：應用協議名：／／ＩＰ地址／傳輸層協議／端口號例如，ＩＰ地址為１９２．１６８．１．１００的客户端的ＨＴＴＰ應用的ＥＩＤ為ＨＴＴＰ：／／１９２．１６８．１．１００／ＴＣＰ／８０．當客户端應用第一次與ＤＴＮ網關建立ＴＣＰ連接時，ＤＴＮ網關按照這一格式自動根據源和目的ＩＰ地址、應用協議名、傳輸層協議、端口號等信息生成相應的源和目的ＥＩＤ，並且在該ＤＴＮ網關的Ｂｕｎｄｌｅ層中為代理的客户端應用註冊ＥＩＤ．而靠近服務器方的ＤＴＮ網關則採用後綁定的方式在Ｂｕｎｄｌｅ層中註冊該目的ＥＩＤ，從目的ＥＩＤ中解析出應用協議名、服務器ＩＰ地址、傳輸層協議和端口等信息，主動與服務器建立連接．３）應用數據的封裝和解封裝：已經在Ｂｕｎｄｌｅ協議中註冊ＥＩＤ的應用可以使用Ｂｕｎｄｌｅ協議提供的服務發送和接收數據．當收到普通應用發過來的數據時，ＴＣＰ代理需要從ＴＣＰ協議中取出應用數據，然後調用Ｂｕｎｄｌｅ協議服務，把應用數據封裝成Ｂｕｎｄｌｅ包發送出去．當ＴＣＰ代理收到Ｂｕｎｄｌｅ協議交付的數據時，會從相應的ＴＣＰ連接把應用數據發送出去．此外，在調用Ｂｕｎｄｌｅ協議的服務時，需要提供Ｂｕｎｄｌｅ的處理控制參數，指定Ｂｕｎｄｌｅ所要提供的服務，如是否允許Ｂｕｎｄｌｅ分片、是否需要託管傳輸、是否需要狀態報告等．這些參數需要ＴＣＰ代理根據應用的特點以及預先配置的規則決定．

３空間ＤＴＮ轉發節點設計

ＤＴＮ採用異步通信模式（類似Ｅｍａｉｌ），通過ＤＴＮ路由轉發Ｂｕｎｄｌｅ包以實現源節點到目的節點的信息傳輸．ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ層處於應用層之下，但Ｂｕｎｄｌｅ下層不一定是傳輸層，也可以是鏈路層．這種結構可以實現任意下層協議棧網絡間的互聯．在託管模式下，ＤＴＮ路由通過將交付責任委派給下一個有能力交付的ＤＴＮ路由來確保數據的可靠傳輸．Ｂｕｎｄｌｅ可以通過狀態報告傳送數據交付過程中的狀態信息，如來自中間路由的轉發和託管信號以及來自目的節點的交付信號．ＣＣＳＤＳ針對空間通信的特點提出了一系列鏈路層協議，在圖１所示的空間ＤＴＮ轉發系統架構中，採用ＩＰＯＶＥＲＣＣＳＤＳＡＯＳ［１３］作為鏈路層協議，可用於空對空、空對地和地對空的通信鏈路中，在ＣＣＳＤＳ鏈路上實現ＩＰ數據報的攜帶、建立路由、交換和空間ＩＰ網際元素的管理等，使空間和地面採用一致的網絡協議，實現天基網絡與地基網絡的無縫連接；採用ＳＣＰＳ－ＴＰ［１４］作為傳輸層協議，與ＴＣＰ協議和ＵＤＰ協議保持良好的兼容和互操作性；在地面站以及星上局域網中則採用標準的ＴＣＰ／ＩＰ協議棧．ＤＴＮ轉發節點的具體設計如圖２所示，Ｂｕｎｄｌｅ協議代理包括５個模塊：Ｂｕｎｄｌｅ管理、Ｂｕｎｄｌｅ路由、鏈路管理、匯聚層適配器和鄰居發現．其中Ｂｕｎｄｌｅ管理實現了Ｂｕｎｄｌｅ協議的核心功能，包括Ｂｕｎｄｌｅ封裝、註冊、保管傳輸、分片與重組、Ｂｕｎｄｌｅ宂餘等；考慮到衞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，故Ｂｕｎｄｌｅ路由模塊實現了靜態路由和接觸圖路由［１５］；鄰居發現模塊用於發現周圍鄰節點；鏈路管理模塊利用鄰居發現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發送和接受Ｂｕｎｄｌｅ包．Ｂｕｎｄｌｅ進程中添加的本地協議代理模塊實現了傳輸層代理的功能，包括ＩＰ過濾、傳輸層欺騙和自動註冊等．使用本地代理前，需要先設置過濾條件，ＤＴＮ轉發節點起到網關的作用，會將符合過濾規則的ＩＰ包提交給上層，經過傳輸層提取出數據，然後交給本地代理，本地代理根據傳輸層協議以及端口號區分不同應用，自動為它們註冊ＥＩＤ．註冊成功後，來自Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應用的數據會直接交給Ｂｕｎｄｌｅ協議代理，由Ｂｕｎｄｌｅ協議代理對數據進行Ｂｕｎｄｌｅ封裝、發起託管傳輸，當Ｂｕｎｄｌｅ包到達目的端ＤＴＮ網關節點時，本地代理會自動為目的節點應用在目的端ＤＴＮ網關上進行註冊，註冊成功後，ＤＴＮ網關發起交付規程將數據從Ｂｕｎｄｌｅ包中解封並交付給目的節點．

４半物理仿真與驗證

４．１實驗場景設置

半物理仿真的目的是用真實的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應用驗證ＤＴＮ互聯方法的功能，其實現基於來自ＯＰＮＥＴＭｏｄｅｌｅｒ１４．５的系統在環（ＳｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅＬｏｏｐ，簡稱ＳＩＴＬ）模塊，提供物理網絡與ＯＰＮＥＴ仿真網絡連接的接口，通過真實數據包與虛擬數據包格式的轉換來完成數據包在真實網絡與虛擬網絡間的流動．圖３為半物理仿真場景圖，總共使用３台計算機，ＰＣ１和ＰＣ３分別運行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的客户端和服務器，而ＰＣ２運行ＯＰＮＥＴ仿真場景，它具有兩個網卡，分別連接到ＰＣ１和ＰＣ３．ＯＰＮＥＴ仿真場景中，兩個ＳＩＴＬ模塊用於數據的實虛轉換，兩個ＤＴＮ轉發節點用作網關，分別為ＰＣ１和ＰＣ２上的'Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應用提供本地代理以及接入ＤＴＮ網絡的服務．圖４為基於ＯＰＮＥＴ的空間網絡域，ｍｅｏ＿ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿４為一顆中軌衞星，ｇｅｏ＿ｓｕｂｎｅｔ＿１為一顆同步衞星，它們的軌道通過ＳＴＫ生成然後導入ＯＰ－ＮＥＴ中，Ｇｒｏｕｄ－ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿６為地面站，中軌衞星和地面站中分別包含了一個ＳＴＩＬ模塊和一個ＤＴＮ網關（Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿１和Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿３為ＳＩＴＬ模塊，ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ１和ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ２為星地間綜合網關結點），同步衞星中包含一個ＤＴＮ路由節點．以上場景中中軌衞星與地面站是不可見的，需要通過同步衞星進行路由轉發．為了模擬節點移動造成的鏈路中斷，採用ＯＰＮＥＴ中的節點失效模型，讓同步衞星節點在２０～３０ｓ、４０～５０ｓ、６０～７０ｓ、８０～９０ｓ、１００～１１０ｓ、１２０～１３０ｓ等時間段內失效.

４．２基於Ｉｐｅｒｆ的實驗結果與分析

基於Ｉｐｅｒｆ［１６］展開網絡性能測試，客户端向服務器端發送數據流，服務器監聽接收來自客户端的數據，統計收包速率、丟包率和延遲抖動．客户端向服務器的ＵＤＰ協議的５００１端口發送數據包，發送速率為１Ｍｂｐｓ／ｓ，ＵＤＰ包大小為１ｋｂｙｔｅ．圖５（ａ）為採用ＩＰ互聯測試的結果，實線為客户端發送數據，虛線為服務器收到的數據，結果顯示在沒有端到端連接的這段時間內，客户端發送的數據全部丟失．圖５（ｂ）為ＤＴＮ互聯方法的測試結果，結果顯示雖然沒有端到端的連接，數據仍可以通過保管轉發，最終交付給服務器．統計結果顯示，使用ＩＰ互聯方法的丟包率為３３％，使用ＤＴＮ互聯方法的丟包率為０．

４．３ＶＬＣ視頻點播實驗結果與分析

ＶＬＣ（ＶｉｄｅｏＬＡＮＣｌｉｅｎｔ）是ＶｉｄｅｏＬＡＮ［１７］計劃的開源多媒體播放器，它能作為單播或多播的流服務器在ＩＰｖ４或ＩＰｖ６的高速網絡連接下使用．客户端向服務器的１０００１端口發送一個視頻流．格式為ａｖｉ，分辨率為１１０４×６２２，速率１２１０ｋｂｐｓ．圖６（ａ）為使用ＩＰ互聯方法傳輸視頻的統計結果，在鏈路斷開時傳輸的視頻流丟失．圖６（ｂ）為使用ＤＴＮ互聯方法傳輸視頻的統計結果，可以看到在鏈路重新連接上時，服務器收到的數據遠比客户端發送的數據多，這些多出來的數據就是ＤＴＮ互聯方法在鏈路斷開時間內所保管的視頻流數據．

５結語

開發具有協議代理功能的空間ＤＴＮ轉發節點，實現了其中Ｂｕｎｄｌｅ層的關鍵功能，能實現ＣＣＳ－ＤＳ協議體系、ＴＣＰ／ＩＰ協議體系、ＤＴＮ協議體系的功能一體化．設計半物理仿真環境模擬異構協議空間通信場景，在其中對比了採用傳統ＩＰ互聯方法和本文的ＤＴＮ互聯方法進行ＵＤＰ數據流和視頻流業務傳輸的性能，結果體現了ＤＴＮ互聯方法在數據保管能力上的優越性．