容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究

樊秀梅 李 楊

摘要:容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)(DTN)由于其長延遲、高誤碼率及頻繁斷路等網(wǎng)絡(luò)特性不滿足互聯(lián)網(wǎng)較短傳輸延遲、低誤碼率及存在端到端路徑的基本假設(shè),傳統(tǒng)Internet體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議無法直接用于DTN。DTN路由機制可以按照連接的確定性分為確定性路由和隨機性路由。確定性路由主要有基于樹的路由、時空路由和修正的最短路徑路由等方法;隨機性路由主要有流行性路由、基于歷史消息的路由、基于模型的路由、可控移動路由和基于編碼的路由。DTN在游牧計算、軍事戰(zhàn)場通信、緊急營救及災(zāi)后重建方面具有廣泛應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:容遲/容斷網(wǎng)絡(luò);路由;編碼;應(yīng)用

Abstract: Since Delay/Disruption Tolerant Networks (DTNs) have long delay, high bit-error rate and frequent disconnection, it cannot meet the essential hypothesis of the Internet. Therefore, the traditional Internet architecture and protocols cannot be directly used for DTNs. The DTN routing mechanisms can be classified into deterministic routing and stochastic routing. The deterministic DTN routing algorithms include tree-based routing, space-time routing and amendatory shortest path routing, while the stochastic DTN routing algorithms are epidemic routing, history-based routing, model-based routing, controllable mobility routing and erasure-coding based routing. DTNs can be applied into nomadic computing, military communications, emergence rescue and post-disaster reconstruction, with a big prospect of extensive application.

Key words: delay/disruption tolerant network; routing; coding; application

1 DTN體系結(jié)構(gòu)

Internet已成功地在全世界得到應(yīng)用,現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信模式和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在正常情況下對互聯(lián)網(wǎng)的使用來說是充足且高效的。然而,在某些沒有固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)和情況下,網(wǎng)絡(luò)往往是分離的,因此不能保證提供持續(xù)、穩(wěn)定的連接。此外,這些環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備常受限于其自身的發(fā)射范圍、處理能力、存儲空間和電源供給。在這種環(huán)境中,傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議往往不再適合。

從軍事、深太空通信,到各種無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和游牧計算都產(chǎn)生了不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求。這些網(wǎng)絡(luò)中,由于無線傳輸范圍、移動速度、網(wǎng)絡(luò)分離、異構(gòu)底層網(wǎng)絡(luò)、重大災(zāi)難或惡意攻擊等原因可能形成長延遲、高鏈路誤碼率、路徑頻繁斷開等特性,我們將具有這類特性的網(wǎng)絡(luò)稱為容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)(DTN)[1]。

容遲網(wǎng)絡(luò)的特點可以歸納為:具有較高相異性;頻繁遭到網(wǎng)絡(luò)分割;承受經(jīng)常性的中斷和失敗;不對稱、較長和可變的數(shù)據(jù)速率;網(wǎng)絡(luò)設(shè)備受限于能量、帶寬、存儲/內(nèi)存和成本。由于DTN無法滿足Internet基本假設(shè)(如較短傳輸延遲、低誤碼率及存在端到端路徑),故不能直接應(yīng)用Internet的現(xiàn)行體系結(jié)構(gòu)和許多協(xié)議[2]。

DTN體系結(jié)構(gòu)的具體分層形式如圖1所示。

由于DTN環(huán)境的多樣性和網(wǎng)絡(luò)狀況天生的不確定性,使得DTN在體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)互操作、安全、管理以及穩(wěn)定性等方面的設(shè)計變得極具挑戰(zhàn)性。DTN將會是未來的活躍研究領(lǐng)域,研究DTN的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)具有重大的科學(xué)和社會意義。我們應(yīng)該抓住這一歷史機遇,在DTN研究領(lǐng)域積極開展研究工作,使之成為中國研究新一代網(wǎng)絡(luò)的重點與取得原創(chuàng)性成果的突破口。

2 DTN路由機制

DTN路由的主要目的是最大化報文傳輸成功率。與傳統(tǒng)有線和無線網(wǎng)絡(luò)不同,DTN中網(wǎng)絡(luò)延時大、拓撲經(jīng)常變化、節(jié)點分布較稀疏、通常沒有穩(wěn)定的端到端鏈路。由于DTN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,鏈路的中斷可能比連接更加頻繁,在某段時間內(nèi)可能不存在端到端的路徑,因此有效的DTN路由需要結(jié)合異步路由方式,但這種路由方法在現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)中很少研究。

Jain等人首次明確提出了DTN路由的主要問題和表達形式[3]。他們認(rèn)為DTN路由就是確定信息如何在端到端之間通過一個隨時間變化的連通圖,且這種動態(tài)性是可以預(yù)先知道的。按照路由策略可以將DTN路由分為洪泛和轉(zhuǎn)發(fā)兩大類;也可以按照連接的確定性分為確定性路由和隨機性路由。

2.1 確定性路由

確定性路由方案假定將來的移動和連接是可預(yù)測的,也就是整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)事先已知,主要包括:基于樹的路由、時空路由和修正的最短路徑路由。這類路由需要太多的網(wǎng)絡(luò)知識(包括節(jié)點的移動規(guī)律、通信機會、網(wǎng)絡(luò)拓撲等)。確定性連接的所有算法中,在消息真正傳輸之前,需要確立端到端的路徑。

(1)基于樹的路由

洪泛策略把報文的多個拷貝傳送到一些節(jié)點,這些節(jié)點被稱為“中繼點”。中繼點存儲報文,直到其可以和目的點相連[4]。最早的DTN路由算法都歸于這一類。但洪泛算法浪費了大量資源,為了提高性能,又進一步提出了直接連接、兩跳轉(zhuǎn)播、基于樹的洪泛等。

(a)直接連接

這個策略只在源點和目的點之間有直接連接時,才會在鏈路上傳輸數(shù)據(jù)。這種策略不需要網(wǎng)絡(luò)信息,在移動節(jié)點和指定網(wǎng)關(guān)上采用此策略可以增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,減少開銷。

(b)兩跳轉(zhuǎn)播

源點首先向n個中繼點發(fā)送拷貝,源點和中繼點都有拷貝發(fā)往目的點。由于網(wǎng)絡(luò)中有n +1個拷貝,所以消耗了更多的資源點,通過調(diào)整拷貝的數(shù)目,可以減少資源點的消耗。這種策略和直接連接都有一個限制條件:如果n +1個節(jié)點均連接不到目的,那么報文將不會被傳輸。

(c)基于樹的洪泛

這種方法是對兩跳轉(zhuǎn)播的擴展。中繼點的集合構(gòu)成了從源點開始的一棵樹,所以被稱為基于樹的洪泛。兩跳轉(zhuǎn)播可以被看作是深度為1的樹。如果節(jié)點之間按連接的概率獨立且相等,這種方法將是最優(yōu)的。不像直接連接和兩跳轉(zhuǎn)播那樣,基于樹的洪泛在傳輸報文的時候,中間可以經(jīng)過多跳,但是設(shè)置參數(shù)相對麻煩。

(2)時空路由

時空路由[5]考慮的是一種新型無線網(wǎng)絡(luò)下的路由問題。在這里無線網(wǎng)絡(luò)彼此之間是分隔的,通過攜帶消息的節(jié)點不停地運動來與其他的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)進行通信。由于在源節(jié)點和目的節(jié)點之間缺少一條持續(xù)的路徑,導(dǎo)致了傳統(tǒng)移動自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不適合于此種網(wǎng)絡(luò)。在轉(zhuǎn)發(fā)給下一個可選節(jié)點之前,需要根據(jù)節(jié)點運動的空間軌跡和時間(包括一個節(jié)點攜帶消息的概率)來確定其路徑。在這種存儲—轉(zhuǎn)發(fā)式的網(wǎng)絡(luò)中,確定這樣的時空路徑是一個關(guān)鍵性的問題。在此類網(wǎng)絡(luò)中,無論是基于限定性的時間區(qū)間內(nèi)還是基于周期性的節(jié)點無限性運動,大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動性都是可以預(yù)見的。時空路由研究一種時空路由體系結(jié)構(gòu),以一種可預(yù)測的節(jié)點運動來影響此類網(wǎng)絡(luò)。通過構(gòu)建時空路由表,在當(dāng)前和將來預(yù)期的鄰居節(jié)點中選擇下一跳節(jié)點。不同于傳統(tǒng)的路由表,時空路由表使用目的節(jié)點位置和消息到達的時間來確定其下一跳節(jié)點;基于移動性節(jié)點的時空圖形拓撲模型,設(shè)計出Floyd-Warshall算法來計算這些時空路由表,以期盡量減少在間歇性的網(wǎng)絡(luò)無連接情況下端到端的傳輸延遲。仿真和性能觀測結(jié)果表明使用最小的網(wǎng)絡(luò)資源得到了較高的性能增益。

2.2 隨機性路由

隨機性路由方案假定網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的、不確定的,主要有流行性路由,基于歷史消息的路由,基于模型的路由,可控移動路由和基于編碼的路由。這類路由不需要太多的網(wǎng)絡(luò)知識就能進行路由,但是它在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了太多的復(fù)制,容易占用網(wǎng)絡(luò)資源。其中SPRAY和WAIT[6]、SOLAR-HUB[7]、CAR[8]是具有代表性的多副本路由算法。

(1)流行性路由

Vahdat和Becker提出了一種用于時斷時續(xù)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議,稱為流行性路由[9]。這種協(xié)議依賴于流行性算法理論:當(dāng)兩個節(jié)點連接時,它們互相發(fā)送緩存中已有的報文列表,以使消息最終傳輸?shù)侥康亩恕８鱾€主機可以緩存消息,即使當(dāng)前沒有到達目的端的路徑,消息也會被緩存在主機中。這些消息的索引,稱為報文列表,被保存在節(jié)點中。當(dāng)兩個節(jié)點相遇時,它們交換各自的報文列表。交換之后,每個節(jié)點就知道另外一個節(jié)點是否擁有它沒有的消息。如果沒有,該節(jié)點就向那個節(jié)點請求消息。這就意味著,只要緩沖區(qū)有空間,消息就會在節(jié)點相遇時,像某種傳染病一樣在網(wǎng)絡(luò)中傳播,并彼此“傳染”。

(2)基于歷史消息的路由

Philo Juang等人提出一種基于單跳信息方式的歷史消息路由[10]:統(tǒng)計每個節(jié)點和接收消息基站(目標(biāo)節(jié)點)的通信機會,并利用這些歷史信息計算出量度值。當(dāng)一個節(jié)點要發(fā)消息時,在與其有通信機會的節(jié)點中找出那些量度值較高的節(jié)點,并將消息復(fù)制過去,這樣可使消息沿著一個越來越接近基站的方向傳遞。這種方法是一種坡度路由的方法,等級越高的節(jié)點在基站附件活動越頻繁,同時和基站的通信的機會越多,但其中存在“慢啟動”問題。特別是在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,與源節(jié)點有通信機會的中繼可能都離目標(biāo)節(jié)點比較遠,很可能沒有和目標(biāo)節(jié)點通信的機會,因此不可能有很高的成功率使其被選為中繼。這樣,源節(jié)點或其他中繼在轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳時很難做出正確的判斷,需要根據(jù)消息轉(zhuǎn)發(fā)歷史記錄來做出智能的決策。

(3)基于模型的路由

隨機性路由方案都假設(shè)節(jié)點的移動是隨機的,沒有任何的規(guī)律。然而在現(xiàn)實世界中,節(jié)點的移動都遵循一定的知識模式,例如行人在路上行走,車輛在公路上移動,衛(wèi)星沿軌道運轉(zhuǎn)等。一旦其移動模式被確定下來,即可知道哪些中繼與目標(biāo)節(jié)點有更高的通信機會?；谀Ｐ偷穆酚蒣11]使用移動節(jié)點的世界模型來選擇較好的中繼,而無需在網(wǎng)絡(luò)中大量復(fù)制消息。

(4)可控移動路由

移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)提供快速部署和自我配置的網(wǎng)絡(luò)容量恢復(fù),其擁有許多關(guān)鍵性應(yīng)用,如戰(zhàn)場,災(zāi)害救濟和廣域遙感。可控移動路由[12]研究在稀疏節(jié)點MANET中網(wǎng)絡(luò)中斷一定時間下的高效率數(shù)據(jù)傳輸問題。以往的方法依靠的是使用遠程通信或者已知的節(jié)點移動性,這會導(dǎo)致節(jié)點有限電池的迅速消耗和較低的數(shù)據(jù)傳輸率以及較大的延遲?？煽匾苿勇酚赏ㄟ^信息擺渡(MF)的方法解決這一問題。信息擺渡是一種輔助移動的方法,采用了一系列稱為信息渡輪(或短期渡輪)的特殊移動節(jié)點,在節(jié)點調(diào)度區(qū)提供通信服務(wù)。通過引入節(jié)點移動的非隨機性概念,并利用這種非隨機性以協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。研究取決于渡輪和節(jié)點初始前向運動的兩種MF變化。該設(shè)計利用移動性提高了數(shù)據(jù)的傳輸性能、降低了節(jié)點的能量消耗,并在多種不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下驗證了其性能優(yōu)越性。

(5)基于編碼的路由

基于編碼的方案主要是基于網(wǎng)絡(luò)編碼[13]和基于刪除編碼(EC)[14]。基于網(wǎng)絡(luò)編碼的路由是由Widmer等人提出,它的基本思想是對轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼進行編碼產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)包和相應(yīng)的編碼向量,編碼向量與數(shù)據(jù)包一起傳輸,當(dāng)收到足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)包以后,目的節(jié)點就能解碼,恢復(fù)出原數(shù)據(jù)包?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的路由能以很小的開銷向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以較高的概率發(fā)送消息,特別適用于受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)編碼比概率路由更好地利用節(jié)點的移動性,即使在極限情況下,如有較大的丟包率的稀疏網(wǎng)絡(luò),節(jié)點休眠時間較長的網(wǎng)絡(luò),在這些情況下概率路由效率較低?；贓C的路由思想是對消息進行刪除編碼,并將產(chǎn)生的編碼塊分布在大量的中繼上傳輸。每次中繼只傳輸消息的一部分而不是整個消息的一個副本。這樣分片傳輸可以控制每比特消息的傳輸開銷。EC方案能使用固定的開銷提供好的延遲保證,消除了由于不好的轉(zhuǎn)發(fā)選擇導(dǎo)致的大延遲,對于鏈路失效有更好的健壯性。

盡管針對DTN的特殊性已經(jīng)提出了一些相關(guān)路由方案,但仍存在很多問題:

(a)現(xiàn)有路由算法的消息轉(zhuǎn)發(fā)模式單一:往往不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點自身資源的使用情況自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)頻率;消息轉(zhuǎn)發(fā)頻繁,浪費網(wǎng)絡(luò)資源;稀少,增加延遲。

(b)現(xiàn)有的異步路由算法大多只采用逐跳式的數(shù)據(jù)傳遞模式:沒有充分利用網(wǎng)絡(luò)中的“部分連通路徑”進行多跳轉(zhuǎn)發(fā);在節(jié)點密度頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)中無法取得更好的性能。

(c)只有平面路由解決方案:針對三維移動容遲網(wǎng)絡(luò),如水下網(wǎng)絡(luò)傳輸延時大、信道質(zhì)量差、節(jié)點能耗高的特點,需要研制出適用于三維無線移動容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)特點的路由方案。

3 DTN的應(yīng)用及發(fā)展

由于DTN不要求固定的數(shù)據(jù)包傳輸和及時交付,不同需求的應(yīng)用正好可以從中獲益。對于無固定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者經(jīng)常發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分割的情況,DTN尤其有用。DTN具有廣泛應(yīng)用前景,最初設(shè)計DTN的主要目的是用于行星間和深太空通信。例如,當(dāng)在火星軌道上飛行的人造衛(wèi)星飛行到火星的背面時,由于被火星遮檔,就無法與地球?qū)崿F(xiàn)連通。此外,正在研究的通信場景包括:

解決無線電覆蓋或運動造成的中斷,加強移動游牧服務(wù)。

機會移動自組織網(wǎng)絡(luò)(戰(zhàn)場通信、緊急救災(zāi)等)。

無線基站稀疏部署(多跳、格狀網(wǎng))。

極遙遠地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)接入。

發(fā)展中國家、鄉(xiāng)村網(wǎng)絡(luò)接入(缺少基礎(chǔ)設(shè)施,無法承受衛(wèi)星通信價格)。

采用瞬間高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備收集傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

3.1 游牧計算

移動計算[15]是隨著移動通信、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、分布式計算等技術(shù)的發(fā)展而興起的新技術(shù)。移動計算技術(shù)將使計算機或其他信息智能終端設(shè)備在無線環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及資源共享。它的作用是將有用、準(zhǔn)確、及時的信息提供給任何時間、任何地點的任何客戶。這將極大地改變?nèi)藗兊纳罘绞胶凸ぷ鞣绞健?/p>

移動計算是一個多學(xué)科交叉、涵蓋范圍廣泛的新興技術(shù),是當(dāng)前計算技術(shù)研究中的熱點領(lǐng)域,并被認(rèn)為是對未來具有深遠影響的四大技術(shù)方向之一。

3.2 車載KisokNet

調(diào)度者在公用電話亭與網(wǎng)關(guān)之間來回運動。網(wǎng)關(guān)具有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接口、存儲能力,以及與Internet的持續(xù)連接。網(wǎng)關(guān)收集來自調(diào)度者的數(shù)據(jù),存儲到存儲器中,然后再通過代理上傳到Internet。一個區(qū)域可能有不止一個網(wǎng)關(guān)。調(diào)度者可以是公交車、出租車、摩托車以及火車。它們都經(jīng)過公用電話亭和Internet網(wǎng)關(guān)。調(diào)度者具有車載蓄電池可以供電的單板計算機,這種計算機具有20～40 Gbit/s的存儲空間以及一個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接口。它們與它們經(jīng)過的kiosk控制器以及Internet網(wǎng)關(guān)通信。

3.3 軍事戰(zhàn)場通信

在戰(zhàn)場上,軍事人員和作戰(zhàn)車輛都配有傳感器和移動通信設(shè)備。當(dāng)傳統(tǒng)的通信方法被破壞或在電子干擾攻擊環(huán)境下,使用DTN可從某一領(lǐng)土收集和傳達信息。因此,命令、控制和通信(C3)仍然可以通過DTN執(zhí)行[16]。

3.4 緊急營救/災(zāi)后重建

緊急救援和救災(zāi)任務(wù)時,很可能得不到任何可用的通信基礎(chǔ)設(shè)施。然而,救援人員可以依靠DTN來交流至關(guān)重要的信息,并通過控制臺協(xié)調(diào)救援和恢復(fù)工作。例如,考慮以下情況:一組洞穴登山被困在蜿蜒的深洞內(nèi),常規(guī)的通信方式如衛(wèi)星和手機一無是處。然而,通信可以通過救援人員的移動通信設(shè)備和多個中繼點(戰(zhàn)略部署好的)建立。

4 結(jié)束語

由于DTN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,鏈路的中斷可能比連接更加頻繁,在某段時間內(nèi)可能不存在端到端的路徑,因此充分利用鏈路的間歇性、可預(yù)測性、能量層次和存儲空間等特征設(shè)計合理有效的DTN機制成為DTN應(yīng)用的關(guān)鍵條件。

盡管在相關(guān)研究方面已取得進展,但仍存在一些關(guān)鍵問題有待解決,如:由于DTN異步通信特點,信息需要存儲在某些節(jié)點,并等待時機進行轉(zhuǎn)發(fā),如何快速有效地選擇存儲轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點;相對于傳統(tǒng)的二維DTN,三維DTN的拓撲控制問題難度增加、計算復(fù)雜度成倍增加、現(xiàn)實物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如何在三維網(wǎng)絡(luò)下有效控制拓撲和設(shè)計路由算法;如何在DTN環(huán)境下有效解決網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)編碼選擇,設(shè)計適合DTN的網(wǎng)絡(luò)編碼;如何針對DTN環(huán)境下的確認(rèn)困難和資源有限問題,建立擁塞與可靠性、路由機制和移動模型的關(guān)系,進行擁塞控制;如何針對DTN這類特殊開放系統(tǒng)中的節(jié)點自私問題建立適應(yīng)DTN環(huán)境的博弈模型和相應(yīng)的對自私行為的控制方法。

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收稿日期:2009-08-06

樊秀梅,北方交通大學(xué)通控系博士畢業(yè),清華大學(xué)計算機系博士后出站,現(xiàn)為北京理工大學(xué)教授,主要研究領(lǐng)域為計算機網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)及下一代移動互聯(lián)網(wǎng)QoS技術(shù)。

李楊,北京理工大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院在讀博士生,主要研究領(lǐng)域為容遲網(wǎng)絡(luò)、路由交換與調(diào)度。