空間資訊網路DTN互聯方法研究論文
當前通訊網路的應用範圍飛速擴充套件，地面有線網、地面無線網、空間衛星網均已成為承載網路，資訊在傳輸過程中可能會經歷幾種不同的網路環境，端與端之間的通訊不再是單一的協議形式．而空間網路通訊的主要挑戰來自於鏈路誤位元速率高、傳輸時延長、上下行頻寬不對稱、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）的通訊子網也有很大的效能差異［１］，使其難以實現傳統地面網路技術所達到的Ｑｏｓ及可靠性要求，要想使其成為未來網路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．目前面向空間網路的協議主要分為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，在空間網路環境下具有更好的效能和可擴充套件性［５］，被ＣＣＳＤＳ作為空間網路互聯的發展方向．隨著天地一體化的發展，基於ＤＴＮ的空間網路與基於ＴＣＰ／ＩＰ的地面網路的互聯問題亟待解決，本文面向此問題提出ＤＴＮ環境下異構協議網路互聯的設計方法，並通過半物理模擬實驗對其效能進行分析．
１相關工作
目前很多針對空間網路異構性的研究面向改進傳統的ＴＣＰ／ＩＰ協議［６，７］，使之適應空間通訊的特點，但這些工作未實現根本機制的改變，所實現的效能改善程度有限．文獻［８－１０］在地面節點上實現了互聯衛星網和地面網的功能，但沒有考慮到衛星網中的間斷連通特性．空間網路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的協議適配閘道器，但主要面向各種版本ＴＣＰ協議的相容．為了促進ＤＴＮ的快速部署以及與傳統ＴＣＰ／ＩＰ網路的互聯，ＮＡＳＡ提出了ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＤＴＮ方案［１２］．其核心思想是在網路中優先採用ＩＰ技術，只有當資料通過受限網路或者網路出現鏈路中斷時才將ＩＰ包封裝到ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ包中，由ＤＴＮ繼續完成資料的傳輸．這種方案的優點是既可以利用ＤＴＮ技術在受限網路環境下保證資料的可靠傳輸，又不用犧牲ＩＰ技術的高效性和相容性，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閘道器及協議轉換功能．該方案不僅開銷小，而且突破了ＤＴＮ網路對傳統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戶端和伺服器端使用標準的ＴＣＰ／ＩＰ協議棧，在ＴＣＰ／ＩＰ網路與ＤＴＮ網路的交界處由ＤＴＮ閘道器實現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”作為連線不同網路的覆蓋層．Ｂｕｎｄｌｅ層可以通過匯聚層介面卡（如ＴＣＰ介面卡、ＵＤＰ介面卡等）在ＩＰ網路之上傳輸ＤＴＮ流量，從而實現ＤＴＮ網路與ＴＣＰ／ＩＰ網路的互聯．應用層協議需要基於Ｂｕｎｄｌｅ層介面進行重構，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（衛星鏈路對ＴＣＰ／ＩＰ資料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對映協議，解決應用協議負載的傳遞、地址對映、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：客戶端的ＤＴＮ閘道器會偽裝成伺服器與客戶端建立並維持ＴＣＰ連線．這需要客戶端將ＤＴＮ閘道器設定為代理伺服器或者直接將ＤＴＮ閘道器設定為預設閘道器．另外還要在ＤＴＮ閘道器上設定需要代理的協議，並監聽相應的ＴＣＰ埠．２）地址對映：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／埠號例如，ＩＰ地址為１９２．１６８．１．１００的客戶端的ＨＴＴＰ應用的ＥＩＤ為ＨＴＴＰ：／／１９２．１６８．１．１００／ＴＣＰ／８０．當客戶端應用第一次與ＤＴＮ閘道器建立ＴＣＰ連線時，ＤＴＮ閘道器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、埠號等資訊生成相應的源和目的ＥＩＤ，並且在該ＤＴＮ閘道器的Ｂｕｎｄｌｅ層中為代理的客戶端應用註冊ＥＩＤ．而靠近伺服器方的ＤＴＮ閘道器則採用後繫結的方式在Ｂｕｎｄｌｅ層中註冊該目的ＥＩＤ，從目的ＥＩＤ中解析出應用協議名、伺服器ＩＰ地址、傳輸層協議和埠等資訊，主動與伺服器建立連線．３）應用資料的封裝和解封裝：已經在Ｂｕｎｄｌｅ協議中註冊ＥＩＤ的應用可以使用Ｂｕｎｄｌｅ協議提供的服務傳送和接收資料．當收到普通應用發過來的資料時，ＴＣＰ代理需要從ＴＣＰ協議中取出應用資料，然後呼叫Ｂｕｎｄｌｅ協議服務，把應用資料封裝成Ｂｕｎｄｌｅ包傳送出去．當ＴＣＰ代理收到Ｂｕｎｄｌｅ協議交付的資料時，會從相應的ＴＣＰ連線把應用資料傳送出去．此外，在呼叫Ｂｕｎｄｌｅ協議的服務時，需要提供Ｂｕｎｄｌｅ的處理控制引數，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．這些引數需要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採用非同步通訊模式（類似Ｅｍａｉｌ），通過ＤＴＮ路由轉發Ｂｕｎｄｌｅ包以實現源節點到目的節點的資訊傳輸．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路間的互聯．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路由來確保資料的可靠傳輸．Ｂｕｎｄｌｅ可以通過狀態報告傳送資料交付過程中的狀態資訊，如來自中間路由的轉發和託管訊號以及來自目的節點的交付訊號．ＣＣＳＤＳ針對空間通訊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訊鏈路中，在ＣＣＳＤＳ鏈路上實現ＩＰ資料報的攜帶、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路協議，實現天基網路與地基網路的無縫連線；採用ＳＣＰＳ－ＴＰ［１４］作為傳輸層協議，與ＴＣＰ協議和ＵＤＰ協議保持良好的相容和互操作性；在地面站以及星上區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個模組：Ｂｕｎｄｌｅ管理、Ｂｕｎｄｌｅ路由、鏈路管理、匯聚層介面卡和鄰居發現．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冗餘等；考慮到衛星都按規劃的軌道執行，星間、星地間的連通性可以推匯出來，故Ｂｕｎｄｌｅ路由模組實現了靜態路由和接觸圖路由［１５］；鄰居發現模組用於發現周圍鄰節點；鏈路管理模組利用鄰居發現模組提供的接觸資訊來管理鏈路有效性資訊；匯聚層介面卡利用匯聚層的服務傳送和接受Ｂｕｎｄｌｅ包．Ｂｕｎｄｌｅ程序中新增的本地協議代理模組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，需要先設定過濾條件，ＤＴＮ轉發節點起到閘道器的作用，會將符合過濾規則的ＩＰ包提交給上層，經過傳輸層提取出資料，然後交給本地代理，本地代理根據傳輸層協議以及埠號區分不同應用，自動為它們註冊ＥＩＤ．註冊成功後，來自Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應用的資料會直接交給Ｂｕｎｄｌｅ協議代理，由Ｂｕｎｄｌｅ協議代理對資料進行Ｂｕｎｄｌｅ封裝、發起託管傳輸，當Ｂｕｎｄｌｅ包到達目的端ＤＴＮ閘道器節點時，本地代理會自動為目的節點應用在目的端ＤＴＮ閘道器上進行註冊，註冊成功後，ＤＴＮ閘道器發起交付規程將資料從Ｂｕｎｄｌｅ包中解封並交付給目的節點．
４半物理模擬與驗證
４．１實驗場景設定
半物理模擬的目的是用真實的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）模組，提供物理網路與ＯＰＮＥＴ模擬網路連線的介面，通過真實資料包與虛擬資料包格式的轉換來完成資料包在真實網路與虛擬網路間的流動．圖３為半物理模擬場景圖，總共使用３臺計算機，ＰＣ１和ＰＣ３分別執行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的客戶端和伺服器，而ＰＣ２執行ＯＰＮＥＴ模擬場景，它具有兩個網絡卡，分別連線到ＰＣ１和ＰＣ３．ＯＰＮＥＴ模擬場景中，兩個ＳＩＴＬ模組用於資料的實虛轉換，兩個ＤＴＮ轉發節點用作閘道器，分別為ＰＣ１和ＰＣ２上的'Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應用提供本地代理以及接入ＤＴＮ網路的服務．圖４為基於ＯＰＮＥＴ的空間網路域，ｍｅｏ＿ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿４為一顆中軌衛星，ｇｅｏ＿ｓｕｂｎｅｔ＿１為一顆同步衛星，它們的軌道通過ＳＴＫ生成然後匯入ＯＰ－ＮＥＴ中，Ｇｒｏｕｄ－ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿６為地面站，中軌衛星和地面站中分別包含了一個ＳＴＩＬ模組和一個ＤＴＮ閘道器（Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿１和Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿３為ＳＩＴＬ模組，ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ１和ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ２為星地間綜合閘道器結點），同步衛星中包含一個ＤＴＮ路由節點．以上場景中中軌衛星與地面站是不可見的，需要通過同步衛星進行路由轉發．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，讓同步衛星節點在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］展開網路效能測試，客戶端向伺服器端傳送資料流，伺服器監聽接收來自客戶端的資料，統計收包速率、丟包率和延遲抖動．客戶端向伺服器的ＵＤＰ協議的５００１埠傳送資料包，傳送速率為１Ｍｂｐｓ／ｓ，ＵＤＰ包大小為１ｋｂｙｔｅ．圖５（ａ）為採用ＩＰ互聯測試的結果，實線為客戶端傳送資料，虛線為伺服器收到的資料，結果顯示在沒有端到端連線的這段時間內，客戶端傳送的資料全部丟失．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線，資料仍可以通過保管轉發，最終交付給伺服器．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視訊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伺服器在ＩＰｖ４或ＩＰｖ６的高速網路連線下使用．客戶端向伺服器的１０００１埠傳送一個視訊流．格式為ａｖｉ，解析度為１１０４×６２２，速率１２１０ｋｂｐｓ．圖６（ａ）為使用ＩＰ互聯方法傳輸視訊的統計結果，在鏈路斷開時傳輸的視訊流丟失．圖６（ｂ）為使用ＤＴＮ互聯方法傳輸視訊的統計結果，可以看到在鏈路重新連線上時，伺服器收到的資料遠比客戶端傳送的資料多，這些多出來的資料就是ＤＴＮ互聯方法在鏈路斷開時間內所保管的視訊流資料．
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．設計半物理模擬環境模擬異構協議空間通訊場景，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資料流和視訊流業務傳輸的效能，結果體現了ＤＴＮ互聯方法在資料保管能力上的優越性．
