空间信息网络DTN互联方法研究论文

时间：2021-04-14 11:08:19 论文我要投稿

空间信息网络DTN互联方法研究论文

　　当前通信网络的应用范围飞速扩展，地面有线网、地面无线网、空间卫星网均已成为承载网络，信息在传输过程中可能会经历几种不同的网络环境，端与端之间的通信不再是单一的协议形式．而空间网络通信的主要挑战来自于链路误码率高、传输时延长、上下行带宽不对称、链路可用时间有限、拓扑变化频繁等，此外不同空间位置（远地链路、星间链路、星地链路等）的通信子网也有很大的性能差异［１］，使其难以实现传统地面网络技术所达到的Ｑｏｓ及可靠性要求，要想使其成为未来网络系统的一个重要且可靠的组成部分，则需要针对以上挑战设计有效的协议体系．目前面向空间网络的协议主要分为４类：ＣＣＳ－ＤＳ协议体系［２］、ＴＣＰ／ＩＰ协议体系［３］、ＣＣＳＤＳ与ＴＣＰ／ＩＰ结合的协议体系［４］、ＤＴＮ协议体系．基于ＤＴＮ的协议体系相比其他体系，在空间网络环境下具有更好的性能和可扩展性［５］，被ＣＣＳＤＳ作为空间网络互联的发展方向．随着天地一体化的发展，基于ＤＴＮ的空间网络与基于ＴＣＰ／ＩＰ的地面网络的互联问题亟待解决，本文面向此问题提出ＤＴＮ环境下异构协议网络互联的设计方法，并通过半物理仿真实验对其性能进行分析．

空间信息网络DTN互联方法研究论文

　　１相关工作

　　目前很多针对空间网络异构性的研究面向改进传统的ＴＣＰ／ＩＰ协议［６，７］，使之适应空间通信的特点，但这些工作未实现根本机制的改变，所实现的性能改善程度有限．文献［８－１０］在地面节点上实现了互联卫星网和地面网的功能，但没有考虑到卫星网中的间断连通特性．空间网络的一个根本特点是链路通断切换频繁，必须以ＤＴＮ的角度展开设计，文献［１１］设计了面向ＤＴＮ的协议适配网关，但主要面向各种版本ＴＣＰ协议的兼容．为了促进ＤＴＮ的快速部署以及与传统ＴＣＰ／ＩＰ网络的互联，ＮＡＳＡ提出了ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＤＴＮ方案［１２］．其核心思想是在网络中优先采用ＩＰ技术，只有当数据通过受限网络或者网络出现链路中断时才将ＩＰ包封装到ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ包中，由ＤＴＮ继续完成数据的传输．这种方案的优点是既可以利用ＤＴＮ技术在受限网络环境下保证数据的可靠传输，又不用牺牲ＩＰ技术的高效性和兼容性，但由于将ＩＰ包直接封装到Ｂｕｎｄｌｅ包中，这种方案有较大的开销．本文的异构协议互联方法则采用协议代理方案实现空间节点上的ＤＴＮ网关及协议转换功能．该方案不仅开销小，而且突破了ＤＴＮ网络对传统ＴＣＰ应用的限制．

　　２协议代理方案

　　空间异构协议互联方法在客户端和服务器端使用标准的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，在ＴＣＰ／ＩＰ网络与ＤＴＮ网络的交界处由ＤＴＮ网关实现ＴＣＰ／ＩＰ协议与ＤＴＮ协议间的转换．ＤＴＮ的核心思想是在应用层与下层之间引入“Ｂｕｎｄｌｅ层”作为连接不同网络的覆盖层．Ｂｕｎｄｌｅ层可以通过汇聚层适配器（如ＴＣＰ适配器、ＵＤＰ适配器等）在ＩＰ网络之上传输ＤＴＮ流量，从而实现ＤＴＮ网络与ＴＣＰ／ＩＰ网络的互联．应用层协议需要基于Ｂｕｎｄｌｅ层接口进行重构，但目前传统ＩＰ应用所提供的功能在这种协议体系下还不够成熟．为了实现Ｂｕｎｄｌｅ协议与ＴＣＰ协议（卫星链路对ＴＣＰ／ＩＰ数据传输的影响主要体现在ＴＣＰ协议）的转换，需要定义一个合适的`映射协议，解决应用协议负载的传递、地址映射、传输可靠性等问题．以下是协议代理中实现的主要功能：１）ＡＣＫ欺骗：客户端的ＤＴＮ网关会伪装成服务器与客户端建立并维持ＴＣＰ连接．这需要客户端将ＤＴＮ网关设置为代理服务器或者直接将ＤＴＮ网关设置为默认网关．另外还要在ＤＴＮ网关上设置需要代理的协议，并监听相应的ＴＣＰ端口．２）地址映射：ＤＴＮ端点和应用可以用端点号（ＥＩＤ）来标识，本文所使用的ＥＩＤ格式为：应用协议名：／／ＩＰ地址／传输层协议／端口号例如，ＩＰ地址为１９２．１６８．１．１００的客户端的ＨＴＴＰ应用的ＥＩＤ为ＨＴＴＰ：／／１９２．１６８．１．１００／ＴＣＰ／８０．当客户端应用第一次与ＤＴＮ网关建立ＴＣＰ连接时，ＤＴＮ网关按照这一格式自动根据源和目的ＩＰ地址、应用协议名、传输层协议、端口号等信息生成相应的源和目的ＥＩＤ，并且在该ＤＴＮ网关的Ｂｕｎｄｌｅ层中为代理的客户端应用注册ＥＩＤ．而靠近服务器方的ＤＴＮ网关则采用后绑定的方式在Ｂｕｎｄｌｅ层中注册该目的ＥＩＤ，从目的ＥＩＤ中解析出应用协议名、服务器ＩＰ地址、传输层协议和端口等信息，主动与服务器建立连接．３）应用数据的封装和解封装：已经在Ｂｕｎｄｌｅ协议中注册ＥＩＤ的应用可以使用Ｂｕｎｄｌｅ协议提供的服务发送和接收数据．当收到普通应用发过来的数据时，ＴＣＰ代理需要从ＴＣＰ协议中取出应用数据，然后调用Ｂｕｎｄｌｅ协议服务，把应用数据封装成Ｂｕｎｄｌｅ包发送出去．当ＴＣＰ代理收到Ｂｕｎｄｌｅ协议交付的数据时，会从相应的ＴＣＰ连接把应用数据发送出去．此外，在调用Ｂｕｎｄｌｅ协议的服务时，需要提供Ｂｕｎｄｌｅ的处理控制参数，指定Ｂｕｎｄｌｅ所要提供的服务，如是否允许Ｂｕｎｄｌｅ分片、是否需要托管传输、是否需要状态报告等．这些参数需要ＴＣＰ代理根据应用的特点以及预先配置的规则决定．

　　３空间ＤＴＮ转发节点设计

　　ＤＴＮ采用异步通信模式（类似Ｅｍａｉｌ），通过ＤＴＮ路由转发Ｂｕｎｄｌｅ包以实现源节点到目的节点的信息传输．ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ层处于应用层之下，但Ｂｕｎｄｌｅ下层不一定是传输层，也可以是链路层．这种结构可以实现任意下层协议栈网络间的互联．在托管模式下，ＤＴＮ路由通过将交付责任委派给下一个有能力交付的ＤＴＮ路由来确保数据的可靠传输．Ｂｕｎｄｌｅ可以通过状态报告传送数据交付过程中的状态信息，如来自中间路由的转发和托管信号以及来自目的节点的交付信号．ＣＣＳＤＳ针对空间通信的特点提出了一系列链路层协议，在图１所示的空间ＤＴＮ转发系统架构中，采用ＩＰＯＶＥＲＣＣＳＤＳＡＯＳ［１３］作为链路层协议，可用于空对空、空对地和地对空的通信链路中，在ＣＣＳＤＳ链路上实现ＩＰ数据报的携带、建立路由、交换和空间ＩＰ网际元素的管理等，使空间和地面采用一致的网络协议，实现天基网络与地基网络的无缝连接；采用ＳＣＰＳ－ＴＰ［１４］作为传输层协议，与ＴＣＰ协议和ＵＤＰ协议保持良好的兼容和互操作性；在地面站以及星上局域网中则采用标准的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈．ＤＴＮ转发节点的具体设计如图２所示，Ｂｕｎｄｌｅ协议代理包括５个模块：Ｂｕｎｄｌｅ管理、Ｂｕｎｄｌｅ路由、链路管理、汇聚层适配器和邻居发现．其中Ｂｕｎｄｌｅ管理实现了Ｂｕｎｄｌｅ协议的核心功能，包括Ｂｕｎｄｌｅ封装、注册、保管传输、分片与重组、Ｂｕｎｄｌｅ冗余等；考虑到卫星都按规划的轨道运行，星间、星地间的连通性可以推导出来，故Ｂｕｎｄｌｅ路由模块实现了静态路由和接触图路由［１５］；邻居发现模块用于发现周围邻节点；链路管理模块利用邻居发现模块提供的接触信息来管理链路有效性信息；汇聚层适配器利用汇聚层的服务发送和接受Ｂｕｎｄｌｅ包．Ｂｕｎｄｌｅ进程中添加的本地协议代理模块实现了传输层代理的功能，包括ＩＰ过滤、传输层欺骗和自动注册等．使用本地代理前，需要先设置过滤条件，ＤＴＮ转发节点起到网关的作用，会将符合过滤规则的ＩＰ包提交给上层，经过传输层提取出数据，然后交给本地代理，本地代理根据传输层协议以及端口号区分不同应用，自动为它们注册ＥＩＤ．注册成功后，来自Ｉｎｔｅｒｎｅｔ应用的数据会直接交给Ｂｕｎｄｌｅ协议代理，由Ｂｕｎｄｌｅ协议代理对数据进行Ｂｕｎｄｌｅ封装、发起托管传输，当Ｂｕｎｄｌｅ包到达目的端ＤＴＮ网关节点时，本地代理会自动为目的节点应用在目的端ＤＴＮ网关上进行注册，注册成功后，ＤＴＮ网关发起交付规程将数据从Ｂｕｎｄｌｅ包中解封并交付给目的节点．

　　４半物理仿真与验证

　　４．１实验场景设置

　　半物理仿真的目的是用真实的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ应用验证ＤＴＮ互联方法的功能，其实现基于来自ＯＰＮＥＴＭｏｄｅｌｅｒ１４．５的系统在环（ＳｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅＬｏｏｐ，简称ＳＩＴＬ）模块，提供物理网络与ＯＰＮＥＴ仿真网络连接的接口，通过真实数据包与虚拟数据包格式的转换来完成数据包在真实网络与虚拟网络间的流动．图３为半物理仿真场景图，总共使用３台计算机，ＰＣ１和ＰＣ３分别运行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的客户端和服务器，而ＰＣ２运行ＯＰＮＥＴ仿真场景，它具有两个网卡，分别连接到ＰＣ１和ＰＣ３．ＯＰＮＥＴ仿真场景中，两个ＳＩＴＬ模块用于数据的实虚转换，两个ＤＴＮ转发节点用作网关，分别为ＰＣ１和ＰＣ２上的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ应用提供本地代理以及接入ＤＴＮ网络的服务．图４为基于ＯＰＮＥＴ的空间网络域，ｍｅｏ＿ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿４为一颗中轨卫星，ｇｅｏ＿ｓｕｂｎｅｔ＿１为一颗同步卫星，它们的轨道通过ＳＴＫ生成然后导入ＯＰ－ＮＥＴ中，Ｇｒｏｕｄ－ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿６为地面站，中轨卫星和地面站中分别包含了一个ＳＴＩＬ模块和一个ＤＴＮ网关（Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿１和Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿３为ＳＩＴＬ模块，ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ１和ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ２为星地间综合网关结点），同步卫星中包含一个ＤＴＮ路由节点．以上场景中中轨卫星与地面站是不可见的，需要通过同步卫星进行路由转发．为了模拟节点移动造成的链路中断，采用ＯＰＮＥＴ中的节点失效模型，让同步卫星节点在２０～３０ｓ、４０～５０ｓ、６０～７０ｓ、８０～９０ｓ、１００～１１０ｓ、１２０～１３０ｓ等时间段内失效.

　　４．２基于Ｉｐｅｒｆ的实验结果与分析

　　基于Ｉｐｅｒｆ［１６］展开网络性能测试，客户端向服务器端发送数据流，服务器监听接收来自客户端的数据，统计收包速率、丢包率和延迟抖动．客户端向服务器的ＵＤＰ协议的５００１端口发送数据包，发送速率为１Ｍｂｐｓ／ｓ，ＵＤＰ包大小为１ｋｂｙｔｅ．图５（ａ）为采用ＩＰ互联测试的结果，实线为客户端发送数据，虚线为服务器收到的数据，结果显示在没有端到端连接的这段时间内，客户端发送的数据全部丢失．图５（ｂ）为ＤＴＮ互联方法的测试结果，结果显示虽然没有端到端的连接，数据仍可以通过保管转发，最终交付给服务器．统计结果显示，使用ＩＰ互联方法的丢包率为３３％，使用ＤＴＮ互联方法的丢包率为０．

　　４．３ＶＬＣ视频点播实验结果与分析

　　ＶＬＣ（ＶｉｄｅｏＬＡＮＣｌｉｅｎｔ）是ＶｉｄｅｏＬＡＮ［１７］计划的开源多媒体播放器，它能作为单播或多播的流服务器在ＩＰｖ４或ＩＰｖ６的高速网络连接下使用．客户端向服务器的１０００１端口发送一个视频流．格式为ａｖｉ，分辨率为１１０４×６２２，速率１２１０ｋｂｐｓ．图６（ａ）为使用ＩＰ互联方法传输视频的统计结果，在链路断开时传输的视频流丢失．图６（ｂ）为使用ＤＴＮ互联方法传输视频的统计结果，可以看到在链路重新连接上时，服务器收到的数据远比客户端发送的数据多，这些多出来的数据就是ＤＴＮ互联方法在链路断开时间内所保管的视频流数据．

　　５结语

　　开发具有协议代理功能的空间ＤＴＮ转发节点，实现了其中Ｂｕｎｄｌｅ层的关键功能，能实现ＣＣＳ－ＤＳ协议体系、ＴＣＰ／ＩＰ协议体系、ＤＴＮ协议体系的功能一体化．设计半物理仿真环境模拟异构协议空间通信场景，在其中对比了采用传统ＩＰ互联方法和本文的ＤＴＮ互联方法进行ＵＤＰ数据流和视频流业务传输的性能，结果体现了ＤＴＮ互联方法在数据保管能力上的优越性．

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