基于DTN的海上無線通信集成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1、    基于dtn的海上無線通信集成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)    【摘 要】海上無線移動(dòng)通信集成網(wǎng)絡(luò)是一種沒有穩(wěn)定的端到端路徑，具有高延遲和高中斷的典型受限網(wǎng)絡(luò)。為了解決海上無線網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互聯(lián)的問題，本文提出了一種基于dtn的無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)集成設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)描述了網(wǎng)絡(luò)集成覆蓋模型，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)傳輸流程，滿足了網(wǎng)絡(luò)性能需求。【關(guān)鍵詞】dtn；異構(gòu)互聯(lián)；覆蓋模型；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.引言迅猛發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為數(shù)據(jù)高效可靠傳輸提供了各種解決方案。近年來，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展和大量普及，如何有效改善移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)互聯(lián)問題成為了越來越多專家學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。在軍事領(lǐng)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)互

2、聯(lián)異構(gòu)的要求時(shí)刻考慮著通信網(wǎng)絡(luò)的集成設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不同，海上無線通信網(wǎng)絡(luò)中各種通信手段并行，系統(tǒng)中多中繼并存，因此系統(tǒng)的傳輸延遲長且可變。同時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間相互運(yùn)動(dòng)的影響，兩節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路平均維持時(shí)間較短，在經(jīng)過多節(jié)點(diǎn)交互通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化也較快，因此海上無線通信網(wǎng)絡(luò)還存在著中斷或斷續(xù)鏈路連通性的問題。dtn（disruption/delay tolerant network）作為一種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1，不僅能夠很好的解決高延遲、頻繁中斷通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)問題，而且能夠很好的融合多種網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)在多種復(fù)雜環(huán)境下的可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互聯(lián)，因此具有極大的應(yīng)用前景

3、。2.dtn網(wǎng)絡(luò)概述2.1 dtn網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)dtn采用“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”機(jī)制實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)傳輸層協(xié)議，提供了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本方案。其主要特點(diǎn)有：1） dtn不存在發(fā)送端與接收端的端到端路徑，采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方法進(jìn)行傳遞；2） dtn引入了所謂的“包裹層（bundle layer）”作為連接不同受限網(wǎng)絡(luò)的覆蓋層，采用此覆蓋的節(jié)點(diǎn)依靠發(fā)送稱為“包裹”的異步消息進(jìn)行通信。包裹層提供和互聯(lián)網(wǎng)關(guān)相似的功能，但它集中于虛消息轉(zhuǎn)發(fā)而不是分組交換。2.2 dtn網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則disruption/delay tolerant networking research group（dtnrg）在2003年完成了基于dtn的網(wǎng)絡(luò)

4、體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)格式的初步定義2，形成了相關(guān)的ietf協(xié)議。dtn網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)遵循了以下的設(shè)計(jì)原則：1） 傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層要適應(yīng)本地的通信環(huán)境；2） 采用“non-chatty”的通信模型；3） 采用“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”的技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；4）針對(duì)丟失數(shù)據(jù)采用了重傳機(jī)制。2.3 dtn網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)1） dtn體系結(jié)構(gòu)提供了多種遞送選項(xiàng)，另外dtn體系結(jié)構(gòu)定義了兩種類型的管理記錄：“狀態(tài)報(bào)告”和“保管信號(hào)”。2）利用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)消息交換。持續(xù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)克服了dtn鏈路不可靠的缺點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力實(shí)質(zhì)上代表了一種新的資源，需要網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。3）可靠性和保管轉(zhuǎn)發(fā)。bundle層的消息遞送是無確認(rèn)的。為了加強(qiáng)遞送的可

5、靠性，提供了兩個(gè)遞送選項(xiàng)：端到端確認(rèn)和保管轉(zhuǎn)發(fā)。4）匯聚層。雖然tcp協(xié)議不適合dtn環(huán)境，但tcp協(xié)議是非常成熟的傳輸協(xié)議，對(duì)tcp協(xié)議作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，能為dtn服務(wù)。tcpcl就是應(yīng)用在tcp協(xié)議上的會(huì)聚層。不同會(huì)聚層的復(fù)雜度是不同的，這取決于下層協(xié)議的類型。如果需要向bundle層提供可靠遞送，互聯(lián)網(wǎng)使用的tcp/ip會(huì)聚層可能只需要在tcp流的基礎(chǔ)上增加消息邊界；而如果下層協(xié)議無法保證可靠傳輸，那么適用的會(huì)聚層可能相當(dāng)復(fù)雜（可能需要實(shí)現(xiàn)可靠性，分段，流控制等等）。所以會(huì)聚層的選擇要結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境和所使用的下層協(xié)議，即和具體的實(shí)現(xiàn)相關(guān)。3.基于dtn的無線通信網(wǎng)絡(luò)集成覆蓋模型由于海上移

6、動(dòng)節(jié)點(diǎn)的頻繁運(yùn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)間可能不存在固定連通鏈路，是“受限”網(wǎng)絡(luò)的典型代表。對(duì)于當(dāng)前海上通信網(wǎng)絡(luò)來講，任何對(duì)路由協(xié)議的修改都將影響各個(gè)子網(wǎng)和應(yīng)用的連通性3。因此必須引入覆蓋網(wǎng)的方法4，在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層不變的情況下通過引入dtn技術(shù)大幅提升通信能力?；赿tn技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在傳輸層上疊加“bundle”子層網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)不同傳輸媒介（有線、無線）、不同傳輸協(xié)議（tcp或non-tcp）的統(tǒng)一技術(shù)模式的信息傳輸，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型如圖1所示。圖1 dtn網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型dtn網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型，在傳統(tǒng)的五層結(jié)構(gòu)體系之上，在應(yīng)用層和傳輸層間加入承載層，利用承載層的bundle協(xié)議，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

7、。源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，在由應(yīng)用層發(fā)往傳輸層時(shí)，在承載層利用永久性的存儲(chǔ)設(shè)備，記錄下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境。保管者在收到來自源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的tcp/ip協(xié)議，在承載層處完成可靠性的保管儲(chǔ)存。隨后在經(jīng)過下一個(gè)的保管者后，發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)接收到來自保管者的轉(zhuǎn)發(fā)信息，在承載層利用bundle協(xié)議完成數(shù)據(jù)保存，再在應(yīng)用層得到呈現(xiàn)。相應(yīng)地，保管轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)流程正好與保管轉(zhuǎn)發(fā)相對(duì)。目的節(jié)點(diǎn)首先發(fā)起保管轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)，在保管者的承載層完成響應(yīng)承載，再經(jīng)過多個(gè)保管者后到達(dá)源節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)在承載層對(duì)響應(yīng)進(jìn)行可靠性存儲(chǔ)后，在應(yīng)用層處知曉目的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)，完成整個(gè)存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)式的消息交換。4.基于dtn的無線通信

8、網(wǎng)絡(luò)集成結(jié)構(gòu)無線通信集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括dtn路由模塊、bundle轉(zhuǎn)發(fā)模塊、bundle存儲(chǔ)模塊、分段模塊、注冊(cè)存儲(chǔ)模塊、連接管理模塊、管理接口模塊、注冊(cè)管理模塊、控制臺(tái)和配置模塊等。組成框圖見圖2。dtn網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括業(yè)務(wù)處理和管理控制兩部分，下面就從這兩部分對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行描述。（1）業(yè)務(wù)處理部分消息處理部分主要包括dtn路由模塊、bundle轉(zhuǎn)發(fā)模塊、bundle存儲(chǔ)模塊和分段模塊。1） bundle路由模塊和bundle轉(zhuǎn)發(fā)模塊：bundle路由模塊位于該系統(tǒng)的核心位置。事實(shí)上，在dtn協(xié)議體系中，路由是進(jìn)行保管轉(zhuǎn)發(fā)的前提，是決定網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)。bundle路由模塊，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)

9、信息進(jìn)行路由決定，實(shí)現(xiàn)路由選擇和時(shí)序安排，把決策的結(jié)果以指令的形式傳遞給轉(zhuǎn)發(fā)模塊，轉(zhuǎn)發(fā)模塊與bundle存儲(chǔ)模塊和注冊(cè)模塊進(jìn)行交互，從而執(zhí)行路由模塊的決策。這里將路由模塊和轉(zhuǎn)發(fā)模塊分離，即將策略執(zhí)行部分和功能實(shí)現(xiàn)部分分開，是為了方便對(duì)路由模塊的擴(kuò)展、更新以及替換。2） bundle存儲(chǔ)模塊：該模塊用來保存執(zhí)行存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)程的bundle。3） 分段模塊：該模塊負(fù)責(zé)對(duì)bundle進(jìn)行分段和重組。當(dāng)大的消息通過容量有限的連接進(jìn)行傳輸時(shí)，或者一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸部分失敗的時(shí)候，就需要使用該模塊所提供的功能。當(dāng)bundle所有的段都到達(dá)的時(shí)候，該模塊會(huì)產(chǎn)生信號(hào)通知路由模塊。圖2 無線通信集成dtn網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖

10、（2）管理控制部分管理模塊包括連接管理、管理接口、控制臺(tái)/配置模塊和注冊(cè)管理模塊等。1） 連接管理模塊：關(guān)注當(dāng)前可用鏈路、與連通性或性能相關(guān)的歷史信息以及任何和未來連通相關(guān)的時(shí)序安排信息。連接管理模塊的基本任務(wù)是把從環(huán)境中學(xué)習(xí)的信息轉(zhuǎn)換成可以被路由模塊使用的描述。2） 管理接口：用來向路由模塊傳遞一些影響路由決定的策略限制或參數(shù)選擇信息。3） 控制臺(tái)/配置模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的初始配置，并提供了一種控制途徑。4） 注冊(cè)管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)管理。特別地，管理控制部分主要完成的是對(duì)dtn路由的控制管理功能，與傳統(tǒng)的無線路由控制管理策略沒有原則性的差異，只是通過引入上述的管理控制模塊，利用“狀態(tài)報(bào)

11、告”和“保管信號(hào)”兩種類型的管理記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)dtn網(wǎng)絡(luò)路由的合理配置，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)管理優(yōu)化的目的。因此，下面僅介紹基于dtn的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)傳輸流程。5.基于dtn的業(yè)務(wù)傳輸流程海上無線節(jié)點(diǎn)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，信息互通形式也可能隨時(shí)改變。下面通過對(duì)一個(gè)模擬場景下業(yè)務(wù)互通的流程來說明整個(gè)無線集成dtn網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的業(yè)務(wù)互通過程。假定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)01上的應(yīng)用終端a需要發(fā)送信息給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)04上的應(yīng)用終端b，而01節(jié)點(diǎn)和02節(jié)點(diǎn)分屬不同的工作子網(wǎng)，兩者之間無法直接在網(wǎng)內(nèi)多跳通信，更無法直接進(jìn)行無線通信。但是，有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)02在節(jié)點(diǎn)01附近，并且它們同屬一個(gè)通信受限子網(wǎng)a；同時(shí)，有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)03在節(jié)點(diǎn)04附近，并且它們同屬

12、另一個(gè)通信子網(wǎng)受限子網(wǎng)c；另外，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)02和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)03還同屬于一個(gè)受限子網(wǎng)b。這樣節(jié)點(diǎn)02和節(jié)點(diǎn)03就可以作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)來協(xié)助完成信息的流通。具體流通流程如圖3所示：圖3 無線通信集成dtn網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)傳輸流程圖（1）業(yè)務(wù)產(chǎn)生應(yīng)用終端1上因應(yīng)用需求產(chǎn)生信息傳輸需求，該信息發(fā)送至應(yīng)用服務(wù)器。該信息中同時(shí)包括原終端用戶的信息、目標(biāo)終端信息、信息傳輸質(zhì)量需求等。（2）傳輸策略與路由選擇dtn異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)控制器根據(jù)業(yè)務(wù)需求，確定數(shù)據(jù)傳輸策略，并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的匹配、地址轉(zhuǎn)換；同時(shí)依據(jù)傳輸策略選擇相應(yīng)的功能子網(wǎng)，將信息發(fā)給相應(yīng)的子網(wǎng)控制器。（3）無線傳輸受限子網(wǎng)a控制器接收到數(shù)據(jù)信息后，根據(jù)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部地址

13、與平臺(tái)地址映射關(guān)系，確定本子網(wǎng)內(nèi)部出口端和下一跳的子網(wǎng)控制器地址。子網(wǎng)控制模塊按照本子網(wǎng)無線傳輸格式要求，將接收的數(shù)據(jù)信息分段，重新組包，填寫子網(wǎng)內(nèi)的地址等信息，并通過子網(wǎng)信道向下一跳進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。（4）中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)接收信息受限子網(wǎng)a控制器接收到數(shù)據(jù)信息后，上交給本節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)互聯(lián)控制器。（5）中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)異構(gòu)子網(wǎng)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)互聯(lián)控制器獲取到數(shù)據(jù)信息后，根據(jù)數(shù)據(jù)中攜帶的傳輸策略信息進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的匹配、地址轉(zhuǎn)換；同時(shí)依據(jù)傳輸策略選擇相應(yīng)的功能子網(wǎng)，將信息發(fā)給相應(yīng)的b子網(wǎng)控制器。（6）無線傳輸同過程（3）（7）中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)接收信息同過程（4）（8）中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)異構(gòu)子網(wǎng)同過程（5）（9）無線傳輸同過程（3）（10

14、）目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收信息同過程（4）（11）業(yè)務(wù)信息接收應(yīng)用終端b接收到應(yīng)用終端a發(fā)送的業(yè)務(wù)信息，對(duì)接收到的信息進(jìn)行應(yīng)用層相關(guān)的處理等。其返回給應(yīng)用終端a的信息可以沿著相反的流程發(fā)送。在上述流程中，通過在dtn異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)控制器內(nèi)，引入bundle協(xié)議，完成業(yè)務(wù)的存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)；承載層無確認(rèn)的缺陷，通過保管轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制得到了有效克服；同時(shí)在匯聚層引入tcpcl協(xié)議，能夠滿足海上無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能要求。還可以看到，整個(gè)信息傳輸流程可以分為3段，發(fā)送節(jié)點(diǎn)01與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)02之間，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)02與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)03之間，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)03與接收節(jié)點(diǎn)04之間。在發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)中，分別要經(jīng)過應(yīng)用系統(tǒng)，dtn控制器和受限子網(wǎng)控制器；而在

15、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中，則需要經(jīng)過兩個(gè)不同的受限子網(wǎng)控制器和dtn控制器。這種獨(dú)特的存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式，對(duì)于海上受限節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)具有積極的意義，不僅提高了系統(tǒng)的連通和傳輸能力，延長了系統(tǒng)生存周期，而且對(duì)于海上受限網(wǎng)絡(luò)來講，這種基于dtn的網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)還能夠大幅提升網(wǎng)絡(luò)信息管控能力，滿足網(wǎng)絡(luò)安全的特定要求，實(shí)現(xiàn)信息保障，最大程度的解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的問題。6.結(jié)論海上無線環(huán)境的復(fù)雜性，決定了無線通信網(wǎng)絡(luò)不同于一般的ip網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的延遲和中斷續(xù)傳等性能都提出了更高的要求。dtn網(wǎng)絡(luò)是一類支持在大時(shí)延、鏈路間歇中斷等受限條件下進(jìn)行通信的新型網(wǎng)絡(luò)體系。本文以海上無線網(wǎng)絡(luò)通信集成為背景，提出了一種基于dtn的無線通信網(wǎng)絡(luò)集成設(shè)計(jì)方案。實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)可以有效解決網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互聯(lián)的問題，滿足海上無線通信集成網(wǎng)絡(luò)的性能要求。參考文獻(xiàn)：1閆小榮，黃曉燕，彭偉. 基于模擬的dtn路由協(xié)議性能評(píng)估j. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012（12）：1-4.2張婭嵐. 空天地網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議發(fā)展研究j. 福建電腦，2009（2）：38-39.3閆魯生，劉尚麟. 容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在岸海數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用研究j