《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第20章

第20章DTN網(wǎng)絡(luò)20.1DTN的設(shè)計(jì)思想20.2DTN的特性20.3DTN的路由策略20.4DTN的信息傳輸方式20.5本章小結(jié)

20.1DTN的設(shè)計(jì)思想

20.1.1DTN的命名規(guī)則在DTN中必須經(jīng)過兩個(gè)過程才能將信息送到最終目的地:首先把信息送往目的域,然后再將其送到域內(nèi)的信宿。對(duì)此,DTN的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的命名也有兩個(gè)層次,采用分層命名規(guī)則,由域ID與域內(nèi)信宿ID構(gòu)成。

DTN統(tǒng)一規(guī)定域ID,在整個(gè)DTN中是唯一的,而域內(nèi)信宿ID則由域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)規(guī)定。在信道傳送時(shí),DTN網(wǎng)關(guān)中只對(duì)域ID進(jìn)行地址綁定。只有當(dāng)信息到達(dá)目的域后,才對(duì)域內(nèi)信宿ID的地址進(jìn)行綁定。這樣就避免了端到端傳送時(shí)由于地址綁定查詢信息帶來的時(shí)延,DTN網(wǎng)關(guān)中的路由表規(guī)模大大降低了,同時(shí)DTN的可擴(kuò)展性增強(qiáng)了。

20.1.2DTN的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式

DTN的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)也采用分層方式:域間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由DTN網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé),而域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)域內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。DTN網(wǎng)關(guān)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行域間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),且根據(jù)是否擁有海

量、持久存儲(chǔ)器將DTN網(wǎng)關(guān)分為兩種:持久(P)網(wǎng)關(guān)和非持久(NP)網(wǎng)關(guān)。

20.1.3DTN的路由選擇

DTN實(shí)現(xiàn)域間的選路,所有的DTN網(wǎng)關(guān)并不需要使用相同的路由選擇協(xié)議,但其所使用的路由協(xié)議必須能預(yù)見未來可能出現(xiàn)的路由。DTN路由算法的基本思路是以下一跳

DTN網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)信息為基礎(chǔ),綜合利用域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的路由算法、軌道預(yù)報(bào)信息、信息攜帶的輔助信息等。

20.1.4DTN的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)

由于深空探測(cè)的通信資源非常珍貴,因此在使用時(shí)需要采用優(yōu)先級(jí)規(guī)則對(duì)其進(jìn)行合理的分配,且這種資源分配要易于實(shí)現(xiàn),便于用戶理解。

通過對(duì)美國郵政業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(jí)進(jìn)行提煉,DTN提出了高、中、低3種相對(duì)優(yōu)先級(jí),同時(shí)提出了3種通知服務(wù),即通知所使用的路由、通知信息已經(jīng)發(fā)送、通知信息已到達(dá)最終目的地。

20.1.5DTN的流量控制和擁塞控制

在DTN中,流量控制保證了節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率不會(huì)超過接收的速率,擁塞管理保障了進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)總速率不超過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)的總速率,基本思想是DTN網(wǎng)關(guān)盡量利用域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的流量控制。擁塞控制可通過網(wǎng)關(guān)的永久的存儲(chǔ)器進(jìn)行管理,通過優(yōu)先級(jí)隊(duì)列管理存儲(chǔ)器,每個(gè)隊(duì)列內(nèi)部實(shí)行先到先服務(wù)策略。

20.1.6DTN的時(shí)間同步問題

在深空探測(cè)中,在DTN路由協(xié)議根據(jù)當(dāng)前時(shí)間丟棄已經(jīng)超過生存時(shí)間的信息、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用軌道預(yù)報(bào)信息協(xié)助路由計(jì)算、正確執(zhí)行延時(shí)指令時(shí),都需要有準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn),因此需要實(shí)現(xiàn)一定的時(shí)間同步。第一項(xiàng)對(duì)時(shí)間同步的準(zhǔn)確度需求相對(duì)較低,而后兩項(xiàng)對(duì)時(shí)間同步的準(zhǔn)確度需求較高。

20.1.7DTN的安全體系

由于星際網(wǎng)絡(luò)資源有限,非法訪問網(wǎng)絡(luò)資源會(huì)降低DTN網(wǎng)絡(luò)的性能,嚴(yán)重影響信息傳輸質(zhì)量,因此DTN的安全體系需要同時(shí)保護(hù)信息的安全性和DTN網(wǎng)絡(luò)資源的安全性,并且充分考慮實(shí)現(xiàn)效率問題。與地面因特網(wǎng)中路由器不參與用戶數(shù)據(jù)的加密、認(rèn)證過程不同,DTN要求在每一跳DTN網(wǎng)關(guān)都要對(duì)信息進(jìn)行驗(yàn)證,以此來限制DTN網(wǎng)絡(luò)中非法訪問的傳播范圍,并有效預(yù)防拒絕服務(wù)攻擊。

20.1.8DTN的信息分段和重組

DTN網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息的分段和重組提供了兩種形式。

一種是類似IP分段,DTN網(wǎng)關(guān)先主動(dòng)將一大塊數(shù)據(jù)分成若干小塊后以信息的形式發(fā)送出去,而信息的最終接受者則負(fù)責(zé)將接收到的小塊數(shù)據(jù)重組成原來的大塊數(shù)據(jù)。

另一種是為單次通信時(shí)間不足以傳送完一個(gè)完整信息的情況而設(shè)計(jì)的分段,DTN網(wǎng)關(guān)僅接收到信息的一部分并對(duì)其作出分段標(biāo)記后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā),而發(fā)送端下次僅需要發(fā)送上次沒有接收到的信息部分即可。

20.1.9DTN的狀態(tài)信息管理問題

DTN網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)信息包括信息重傳狀態(tài)、信息路由狀態(tài)和與安全相關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)在DTN節(jié)點(diǎn)接收用戶或相鄰DTN網(wǎng)關(guān)發(fā)來的請(qǐng)求委托傳輸服務(wù)信息時(shí)產(chǎn)生重傳狀態(tài)信息,該狀態(tài)信息可以通過確認(rèn)信息清除,而與之相關(guān)的信息的生存時(shí)間決定著何時(shí)從網(wǎng)絡(luò)中清除該狀態(tài)信息。路由狀態(tài)信息因采用路由表式的尋址方式引入,故該狀態(tài)信息的管理與所采用的路由協(xié)議緊密相關(guān)。

20.1.10DTN的應(yīng)用層要求

DTN中的應(yīng)用層同時(shí)發(fā)送足夠的輔助信息(如文件傳輸,輔助信息包括認(rèn)證信息、文件存儲(chǔ)位置、希望對(duì)文件進(jìn)行的操作等)和應(yīng)用數(shù)據(jù),根據(jù)這些信息使得接收端可以獨(dú)立工作,避免了應(yīng)用層的端到端輔助信息交互,以適應(yīng)深空通信的時(shí)間延遲。在信息發(fā)出后、反饋信息還未收到時(shí)應(yīng)用過程可能就退出了,因此在需要時(shí),DTN要求必須能夠利用永久存儲(chǔ)器內(nèi)的相關(guān)狀態(tài)信息恢復(fù)應(yīng)用過程。

20.2DTN的特性DTN中的信息傳輸具有以下特點(diǎn):

(1)信息傳輸時(shí)延巨大且很難保證恒定;(2)發(fā)送與接收的信息速率不對(duì)稱;(3)信息在傳輸過程中易發(fā)生錯(cuò)誤;(4)網(wǎng)絡(luò)中不同段采用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù);(5)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系是間斷的;(6)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化,路由具備動(dòng)態(tài)選擇能力;(7)通信資源非常寶貴,在實(shí)現(xiàn)安全控制時(shí)應(yīng)避免通信資源的浪費(fèi);(8)各節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量及處理能力受限。

DTN具有如下四項(xiàng)基本特性:

(1)鏈路斷續(xù)和網(wǎng)絡(luò)分割特性。

(2)上下行鏈路數(shù)據(jù)速率的非對(duì)稱特性。

(3)可變的長時(shí)延特性。

(4)誤碼率、分組丟失率大的特性。

DTN的這些特性決定了很難采用因特網(wǎng)上的有鏈路連通性保證的技術(shù)(這些鏈路建立在端到端、低時(shí)延鏈路的基礎(chǔ)上,具有較低的誤碼率和雙向?qū)ΨQ數(shù)據(jù)速率);而新型的各種

短距離移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星鏈路的無線通信技術(shù),能夠彌補(bǔ)一定的鏈路中斷問題,但并不能夠保證鏈路的持續(xù)有效。

從事DTN的研究機(jī)構(gòu)主要包括容遲網(wǎng)絡(luò)研究組(DTNRG,DelayTolerantNetwor_x0002_kingResearchGroup)、行星際互聯(lián)特別組(IPNSpecialInterestGroup)和DARPA等。其中,DTNRG是目前研究DTN體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議的主要公開機(jī)構(gòu),開發(fā)了兩個(gè)主要的協(xié)議:集束協(xié)議和Licklider傳輸協(xié)議(LTP,LickliderTransmissionProtocol)。

BP協(xié)議支持保管機(jī)制、分段和重組、端到端的可靠性、路由功能、端到端的安全能力等特性。它的最大特點(diǎn)是采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和保管機(jī)制。與因特網(wǎng)中的路由器不追蹤它轉(zhuǎn)

發(fā)的分組,也不關(guān)心超出傳輸路徑上位于它下一跳路由器以外的數(shù)據(jù)的傳輸不同,在容延遲/中斷網(wǎng)絡(luò)中,DTN路由器必須為每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分組保存一個(gè)副本,只有在它確認(rèn)已經(jīng)成功地將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳路由器之后才刪除副本。這種保管機(jī)制保證數(shù)據(jù)不會(huì)在傳輸中丟失,即使通信鏈路斷開也能保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

DTN的分段有兩種形式:主動(dòng)分段和被動(dòng)分段。DTN的分段與重組的設(shè)計(jì)主要用于改善傳輸效率,但分段使加密和認(rèn)證復(fù)雜化。BP協(xié)議不提供校驗(yàn)和機(jī)制,可靠性和安全機(jī)制通過擴(kuò)展協(xié)議或其他協(xié)議來提供。

20.3DTN的路由策略

星際網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以物理層技術(shù)為根本,首先要突破空間激光通信技術(shù)、大型天線技術(shù)、特高頻段射頻技術(shù)、糾錯(cuò)編碼和調(diào)制技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的高效通信。在此基礎(chǔ)上,還需要解決好路由技術(shù)、擁塞與流量控制、安全等網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。

一些文獻(xiàn)提出DTN路由策略分為兩大類:

一類為確定性路由方案,其未來的移動(dòng)性和連接是可以預(yù)測(cè)的;

另一類為隨機(jī)路由方案,假定網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性是不確定的。

針對(duì)確定路由問題和隨機(jī)路由問題,研究人員分別提出了一些解決方案,并提出了在DTN中評(píng)估路由算法性能的框架。雖然DTN提出通過委托傳輸?shù)姆绞娇商岣叨说蕉丝煽總鬏數(shù)男?但流量與擁塞控制仍然是影響服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

DTN路由問題可以追溯到Adhoc及傳感器網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)領(lǐng)域中的研究。簡單的DTN可使用靜態(tài)路由,而較大型DTN需要設(shè)計(jì)新的路由以實(shí)現(xiàn)下面4個(gè)目標(biāo):

(1)為了降低配置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的開銷,路由需要能夠?qū)崿F(xiàn)自我配置;

(2)對(duì)于那些遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng),需要保證設(shè)備的可靠性,保證在某些零件失效時(shí)仍能保持連通性;

(3)在多種連接模式下協(xié)議必須能提供可接受的性能;

(4)協(xié)議必須能有效利用網(wǎng)絡(luò)資源和緩沖器。

DTN中路由算法的選擇與其所在的應(yīng)用場(chǎng)景密切相關(guān)。針對(duì)DTN的路由問題,如圖20－1所示,有學(xué)者對(duì)可能的模型進(jìn)行了全面分析,將先驗(yàn)信息分為鏈接信息、隊(duì)列信息和通信需求,由不同類型的先驗(yàn)知識(shí)組合出5種強(qiáng)度的先驗(yàn)信息,并提出了分別適用于各種強(qiáng)度的改進(jìn)路由算法。根據(jù)檢驗(yàn),學(xué)者發(fā)現(xiàn)了路由算法與先驗(yàn)知識(shí)強(qiáng)度之間的關(guān)系,隨著先驗(yàn)知識(shí)強(qiáng)度的增加,對(duì)應(yīng)各算法的性能將得到改善和提高。

圖201路由算法和先驗(yàn)知識(shí)強(qiáng)度關(guān)系

DTN路由可以分為三類:

第一類稱為預(yù)定路由,它知道節(jié)點(diǎn)的先前鏈接時(shí)間表和鏈接持續(xù)時(shí)間,遵循一種固定的移動(dòng)模式,并且決定哪些數(shù)據(jù)傳遞給特定的中繼節(jié)點(diǎn);

第二類稱為機(jī)會(huì)路由,節(jié)點(diǎn)在這種模式下向它遇到的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(之前沒有收到該數(shù)據(jù)報(bào))發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào),不管這些節(jié)點(diǎn)能否成功地發(fā)送數(shù)據(jù);

第三類是預(yù)知路由,它使用先驗(yàn)信息預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)間的連接以發(fā)送數(shù)據(jù)。

考慮DTN鏈路和網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)信息(包括鏈路不確定性和間斷性,采用節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、鏈路類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等輔助信息),上述的路由算法和協(xié)議都需要進(jìn)行組合優(yōu)化設(shè)計(jì),選擇概率最大的路由,而對(duì)其他層的參數(shù)沒有細(xì)致考慮,且沒有系統(tǒng)地從分層協(xié)議棧信息共享和交互角度考慮跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層性能的影響。DTN網(wǎng)絡(luò)中采用的部分路由算法見表201

DARPA支持研究多播/多播集束的委托傳輸問題,并描述了在支持多播/多播集束的委托傳輸和重傳時(shí)所出現(xiàn)的困難,也探索了一些關(guān)于尋址的可能解決方案?；贏dhoc

網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播、組播/多播和選播路由研究較多,鑒于DTN的特殊性,這些研究不能簡單移植過來;DTN中的廣播、組播/多播和選播路由研究很少。目前國內(nèi)外主要考慮間歇鏈路上的多播累積分發(fā)概率、消息分發(fā)比率和每節(jié)點(diǎn)平均傳輸比特,對(duì)于物理層的節(jié)點(diǎn)隊(duì)列等待、鏈路阻塞概率等分析較少,特別是較少考慮其他4層對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層的影響。

20.4DTN的信息傳輸方式

在時(shí)延帶寬積較大的網(wǎng)絡(luò)中,TCP性能很差,而空間通信的協(xié)議,如SCPS、CFDP和Prox1等與地面因特網(wǎng)、以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有較大差別。其中,SCPS協(xié)議主要用于空間/衛(wèi)星通信,CFDP協(xié)議主要應(yīng)用在深空長距離文件傳輸中,而Prox1主要應(yīng)用在鄰近空間網(wǎng)絡(luò)中,如火星網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星編隊(duì)之間。

DTN中傳送層協(xié)議研究集中在由DTNRG開發(fā)的BP和Licklider傳輸協(xié)議兩方面。BP像IP那樣,允許多種不同網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的情況下通過集束層提供網(wǎng)絡(luò)之間端到端通信,然而,由于采用特殊的匯聚層適配器,BP使用每個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)首選的傳輸協(xié)議。由于考慮了不同網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián),因此跟普通的IP相比,BP具有更高的靈活性。BP并沒有取代IP,事實(shí)上,在與不同的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)(如行星際骨干網(wǎng)、行星表面網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng))時(shí),BP將會(huì)分別使用LTP、CCSDSProx1、TCP協(xié)議匯聚層適配器。如果將BP協(xié)議應(yīng)用于因特網(wǎng),則還需要制定適合因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)安全和擁塞控制機(jī)制。

20.5本章小結(jié)

DTN網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸具有以下特點(diǎn):傳輸時(shí)延長且難以保持穩(wěn)定,收發(fā)鏈路帶寬不對(duì)稱,誤碼率高,不同網(wǎng)絡(luò)段采用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、時(shí)變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒐?jié)點(diǎn)功率,存儲(chǔ)容量及處理能力有限等。

從國外的相關(guān)發(fā)展規(guī)劃可以看出,建立網(wǎng)絡(luò)化的深空通信體系結(jié)構(gòu)是未來的發(fā)展方向。從國內(nèi)情況來看,結(jié)合我