基于DTN的海上無線通信集成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

【摘 要】海上無線移動通信集成網(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的無線移動通信網(wǎng)絡(luò)集成設(shè)計方案，詳細描述了網(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。

在軍事領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)異構(gòu)的要求時刻考慮著通信網(wǎng)絡(luò)的集成設(shè)計。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，移動節(jié)點之間相互運動的影響，兩節(jié)點間的通信鏈路平均維持時間較短，在經(jīng)過多節(jié)點交互通信時，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互聯(lián)，因此具有極大的應(yīng)用前景。

2.DTN網(wǎng)絡(luò)概述

2.1 DTN網(wǎng)絡(luò)特點

DTN采用“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”機制實現(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。其主要特點有：

1） DTN不存在發(fā)送端與接收端的端到端路徑，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方法進行傳遞；

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)點依靠發(fā)送稱為“包裹”的異步消息進行通信。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)計原則

Disruption/Delay Tolerant Networking Research Group（DTNRG）在2003年完成了基于DTN的網(wǎng)絡(luò)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)計遵循了以下的設(shè)計原則：

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-轉(zhuǎn)發(fā)”的技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸；

4）針對丟失數(shù)據(jù)采用了重傳機制。

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，另外DTN體系結(jié)構(gòu)定義了兩種類型的管理記錄：“狀態(tài)報告”和“保管信號”。

2）利用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)消息交換。持續(xù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)克服了DTN鏈路不可靠的缺點，節(jié)點的存儲能力實質(zhì)上代表了一種新的資源，需要網(wǎng)絡(luò)進行管理。

3）可靠性和保管轉(zhuǎn)發(fā)。Bundle層的消息遞送是無確認的。為了加強遞送的可靠性，提供了兩個遞送選項：端到端確認和保管轉(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TCP協(xié)議作適當?shù)恼{(diào)整，能為DTN服務(wù)。TCPCL就是應(yīng)用在TCP協(xié)議上的會聚層。不同會聚層的復(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，那么適用的會聚層可能相當復(fù)雜（可能需要實現(xiàn)可靠性，分段，流控制等等）。所以會聚層的選擇要結(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

由于海上移動節(jié)點的頻繁運動，節(jié)點間可能不存在固定連通鏈路，是“受限”網(wǎng)絡(luò)的典型代表。對于當前海上通信網(wǎng)絡(luò)來講，任何對路由協(xié)議的修改都將影響各個子網(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。

基于DTN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，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，在由應(yīng)用層發(fā)往傳輸層時，在承載層利用永久性的存儲設(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存。隨后在經(jīng)過下一個的保管者后，發(fā)往目的節(jié)點。目的節(jié)點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。目的節(jié)點首先發(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)過多個保管者后到達源節(jié)點。源節(jié)點在承載層對響應(yīng)進行可靠性存儲后，在應(yīng)用層處知曉目的節(jié)點接收到數(shù)據(jù)，完成整個存儲-轉(zhuǎn)發(fā)式的消息交換。

4.基于DTN的無線通信網(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存儲模塊、分段模塊、注冊存儲模塊、連接管理模塊、管理接口模塊、注冊管理模塊、控制臺和配置模塊等。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各個模塊進行描述。

（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。事實上，在DTN協(xié)議體系中，路由是進行保管轉(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)信息進行路由決定，實現(xiàn)路由選擇和時序安排，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存儲模塊和注冊模塊進行交互，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)行部分和功能實現(xiàn)部分分開，是為了方便對路由模塊的擴展、更新以及替換。

2） Bundle存儲模塊：該模塊用來保存執(zhí)行存儲-轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)程的bundle。

3） 分段模塊：該模塊負責對bundle進行分段和重組。當大的消息通過容量有限的連接進行傳輸時，或者一個數(shù)據(jù)傳輸部分失敗的時候，就需要使用該模塊所提供的功能。當bundle所有的段都到達的時候，該模塊會產(chǎn)生信號通知路由模塊。

圖2 無線通信集成DTN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖

（2）管理控制部分

管理模塊包括連接管理、管理接口、控制臺/配置模塊和注冊管理模塊等。

1） 連接管理模塊：關(guān)注當前可用鏈路、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/配置模塊：實現(xiàn)對節(jié)點的初始配置，并提供了一種控制途徑。

4） 注冊管理模塊：實現(xiàn)對節(jié)點的注冊管理。

特別地，管理控制部分主要完成的是對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)報告”和“保管信號”兩種類型的管理記錄，實現(xiàn)對DTN網(wǎng)絡(luò)路由的合理配置，達到網(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)點的物理拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，信息互通形式也可能隨時改變。下面通過對一個模擬場景下業(yè)務(wù)互通的流程來說明整個無線集成DTN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的業(yè)務(wù)互通過程。

假定移動節(jié)點01上的應(yīng)用終端A需要發(fā)送信息給移動節(jié)點04上的應(yīng)用終端B，而01節(jié)點和02節(jié)點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，更無法直接進行無線通信。但是，有移動節(jié)點02在節(jié)點01附近，并且它們同屬一個通信受限子網(wǎng)A；同時，有移動節(jié)點03在節(jié)點04附近，并且它們同屬另一個通信子網(wǎng)受限子網(wǎng)C；另外，移動節(jié)點02和移動節(jié)點03還同屬于一個受限子網(wǎng)B。這樣節(jié)點02和節(jié)點03就可以作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點來協(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。該信息中同時包括原終端用戶的信息、目標終端信息、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，并進行數(shù)據(jù)格式的匹配、地址轉(zhuǎn)換；同時依據(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)點內(nèi)部地址與平臺地址映射關(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)信道向下一跳進行轉(zhuǎn)發(fā)。

（4）中轉(zhuǎn)節(jié)點接收信息

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)點的子網(wǎng)互聯(lián)控制器。

（5）中轉(zhuǎn)節(jié)點互聯(lián)異構(gòu)子網(wǎng)

中轉(zhuǎn)節(jié)點子網(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行數(shù)據(jù)格式的匹配、地址轉(zhuǎn)換；同時依據(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)點接收信息

同過程（4）

（8）中轉(zhuǎn)節(jié)點互聯(lián)異構(gòu)子網(wǎng)

同過程（5）

（9）無線傳輸

同過程（3）

（10）目標節(jié)點接收信息

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，對接收到的信息進行應(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-轉(zhuǎn)發(fā)；承載層無確認的缺陷，通過保管轉(zhuǎn)發(fā)的機制得到了有效克服；同時在匯聚層引入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，整個信息傳輸流程可以分為3段，發(fā)送節(jié)點01與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點02之間，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點02與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點03之間，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點03與接收節(jié)點04之間。在發(fā)送和接收節(jié)點中，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；而在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點中，則需要經(jīng)過兩個不同的受限子網(wǎng)控制器和DTN控制器。這種獨特的存儲-轉(zhuǎn)發(fā)方式，對于海上受限節(jié)點和網(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)是一類支持在大時延、鏈路間歇中斷等受限條件下進行通信的新型網(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)計方案。實際使用表明，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。

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作者簡介：

王洪民，男，工程師，研究方向：無線通信。