機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)中的DTN路由協(xié)議研究

李文，劉文，馮微，鄭相全

(1．中國(guó)電子系統(tǒng)設(shè)備工程公司研究所，北京 100000; 2．信息化部檔案館，北京 100000)

機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)中的DTN路由協(xié)議研究

李文1，劉文2，馮微1，鄭相全1

(1．中國(guó)電子系統(tǒng)設(shè)備工程公司研究所，北京 100000; 2．信息化部檔案館，北京 100000)

針對(duì)DTN網(wǎng)絡(luò)的核心機(jī)制－路由算法，分析了目前DTN路由算法的主要技術(shù)及其特點(diǎn)，包括隊(duì)列管理、復(fù)制機(jī)制和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。并且根據(jù)DTN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用了幾種路由算法進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真表明，這幾種路由算法都具有較高的消息投遞成功率，但開(kāi)銷(xiāo)較大，消息的無(wú)限復(fù)制會(huì)大大地占用節(jié)點(diǎn)的緩存空間。因此平衡DTN網(wǎng)絡(luò)中的開(kāi)銷(xiāo)與投遞率還是一個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)參數(shù)做出適當(dāng)?shù)恼壑小７抡娼Y(jié)果表明，DTN路由不能直接應(yīng)用于機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)，但是一些設(shè)計(jì)思想可以借鑒。

機(jī)動(dòng)通信；延遲容忍網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議

0 引言

現(xiàn)有的IP路由協(xié)議設(shè)計(jì)都基于以下前提:①傳輸時(shí)延短;②鏈路傳輸可靠性足夠高。DTN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)表明，傳統(tǒng)IP協(xié)議棧包括路由協(xié)議已經(jīng)不適用于DTN網(wǎng)絡(luò)。因此，通過(guò)研究DTN網(wǎng)絡(luò)的特征，并分析專(zhuān)為DTN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的路由協(xié)議和算法，試圖找到適用于機(jī)動(dòng)通信環(huán)境的路由協(xié)議。以Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，因?yàn)锳d Hoc網(wǎng)絡(luò)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行隨機(jī)組網(wǎng)，同時(shí)鏈路也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)間歇性地?cái)嚅_(kāi)。

DTN是Kevin Fall在2003年提出的一種新型的異步信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［4］，是在星際網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)，區(qū)別于普通網(wǎng)絡(luò)的特性在于其行星之間通信具有較高延遲和非連續(xù)的連接。目前，DTN網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于軍事戰(zhàn)爭(zhēng)、航天通信、災(zāi)難恢復(fù)和應(yīng)急搶險(xiǎn)等方面，在惡劣的通信環(huán)境中有較強(qiáng)的適用性。

1 DTN路由協(xié)議分類(lèi)

DTN結(jié)構(gòu)在應(yīng)用層和傳輸層之間添加了一個(gè)Bundle層［5］。Bundle層主要功能有保管傳遞和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，是一個(gè)面向異步消息的覆蓋網(wǎng)。在DTN網(wǎng)絡(luò)中，主要目標(biāo)是最大可能地傳輸報(bào)文信息，而選取最短路徑或者節(jié)省開(kāi)銷(xiāo)不是首要的選擇。

DTN網(wǎng)絡(luò)中的路由主要包括建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由算法三個(gè)方面。本文將路由算法分為三類(lèi)，分別是不基于先驗(yàn)知識(shí)的路由方案(Nonknowledge-based Approach)、基于先驗(yàn)知識(shí)的路由方案(Knowledge-based Approach)、基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)路由方案(Social-based Approach)［6，7］。同時(shí)也根據(jù)DTN內(nèi)部的消息隊(duì)列管理、消息復(fù)制和節(jié)點(diǎn)間消息的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行分類(lèi)。

1.1 分類(lèi)技術(shù)

1.1.1 隊(duì)列管理

隊(duì)列管理機(jī)制—QM(Queue Management)是基于節(jié)點(diǎn)定義了隊(duì)列中關(guān)于處理消息的一系列的命令，隊(duì)列管理是由節(jié)點(diǎn)之間相互交換信息來(lái)獲取對(duì)環(huán)境的了解來(lái)驅(qū)動(dòng)的。QM的命令針對(duì)所有消息，甚至是那些無(wú)法轉(zhuǎn)播的信息。當(dāng)一條消息必須加入隊(duì)列而內(nèi)存不夠時(shí)，根據(jù)隊(duì)列刪除策略命令來(lái)刪除消息，并提供存儲(chǔ)空間?？紤]到DTN網(wǎng)絡(luò)具有較高的延遲，消息會(huì)在隊(duì)列中存在很長(zhǎng)的時(shí)間;而另一方面，DTN節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間有限，因此必須采用高效的隊(duì)列管理策略，以避免刪除有用信息。目前通用的QM策略有以下幾種:

①先進(jìn)先出原則(FIFO);

②目的無(wú)關(guān)原則(Destination Independent):QM只使用那些與目的節(jié)點(diǎn)不相關(guān)的參數(shù)，譬如跳數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)、消息大小等;

③目的相關(guān)原則(Destination Dependent):QM使用與目的節(jié)點(diǎn)相關(guān)參數(shù)。例如到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度、延時(shí)等。

1.1.2 轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在對(duì)方的通信范圍內(nèi)，會(huì)觸發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制(Forwarding)。轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制通常是基于消息的優(yōu)先級(jí)來(lái)對(duì)消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)其作用時(shí)間較短，只在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相互接觸的時(shí)間之內(nèi)。通用的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制有以下幾種:

①直接投遞，消息只傳輸給目的節(jié)點(diǎn)，不需要經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn);

②總是轉(zhuǎn)發(fā)，消息全部被轉(zhuǎn)發(fā)。該策略的路由計(jì)算量小，但是會(huì)導(dǎo)致大量的消息被轉(zhuǎn)播。

③基于知識(shí)，根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的環(huán)境(Contextual Information)、歷史(Historical Information)或者社會(huì)信息(Social Information)進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)。環(huán)境信息包含當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，如電池、速度、動(dòng)向等。歷史信息隨著時(shí)間而獲取，用于估計(jì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)行為、接觸時(shí)間等。社會(huì)信息描述使用者的關(guān)系用來(lái)預(yù)測(cè)社會(huì)行為，從而提高傳送效率。

1.1.3 復(fù)制機(jī)制

復(fù)制(Replication)機(jī)制用來(lái)控制消息副本的數(shù)量和提高拓?fù)涞聂敯粜浴？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)節(jié)點(diǎn)接觸時(shí)，一個(gè)消息可以被轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制轉(zhuǎn)發(fā)，復(fù)制機(jī)制可以通過(guò)重新進(jìn)入隊(duì)列來(lái)復(fù)制多個(gè)副本。在DTN網(wǎng)絡(luò)中，消息副本在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)量會(huì)在一定程度上影響消息的投遞率。

①單個(gè)拷貝，信息從不復(fù)制;

②有限，消息復(fù)制的數(shù)目被控制;

③受控，只有條件達(dá)成是消息才能被復(fù)制;

④無(wú)限，對(duì)消息的復(fù)制無(wú)任何要求;

1.2 路由分類(lèi)

本章路由協(xié)議的分類(lèi)主要是根據(jù)上節(jié)介紹的隊(duì)列管理、轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和復(fù)制機(jī)制。下面介紹一些典型的DTN路由協(xié)議。

DTN網(wǎng)絡(luò)衡量的主要指標(biāo)就是消息的成功投遞率。由于DTN網(wǎng)絡(luò)具有源端與目的端不存在端到端路徑、鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定等特點(diǎn)。隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)并與其他節(jié)點(diǎn)交互本節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的信息。因此，消息在網(wǎng)絡(luò)中的副本量會(huì)影響它的投遞率;而另一方面，節(jié)點(diǎn)基于的先驗(yàn)知識(shí)越多的話(huà)，那么對(duì)于數(shù)據(jù)投遞率會(huì)越高。傳染性路由協(xié)議(Epidemic Routing)、PROPHET路由協(xié)議和MaxProp路由協(xié)議，這幾種路由協(xié)議的復(fù)制機(jī)制是無(wú)限的，并且轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制是直接轉(zhuǎn)發(fā)的，或者是基于一些歷史或環(huán)境信息。下面簡(jiǎn)要介紹一下這幾種路由協(xié)議:

傳染性路由協(xié)議(Epidemic Routing):這是一個(gè)泛洪模式的路由傳播過(guò)程。其主要工作模式為兩個(gè)接觸的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)交換信息ID來(lái)交換自身未存儲(chǔ)的信息，從而達(dá)到信息交換的目的，直到將消息交換給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)足夠大，那么消息將會(huì)像病毒一樣擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。傳染性路由協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰獙?duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了解。它的缺陷在于由于信息的大量復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致了緩存、帶寬、能源等資源的極大消耗。傳染性路由協(xié)議是DTN網(wǎng)絡(luò)路由研究的開(kāi)始。

PROPHET(Probabilistic Routing Protocol Using History of Encounters and Transitivity)使用可預(yù)測(cè)性傳輸作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)估算節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的可能性，可以認(rèn)為是對(duì)傳染性路由協(xié)議的改進(jìn)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)將消息轉(zhuǎn)發(fā)給預(yù)測(cè)性傳輸概率比它自己高的鄰居節(jié)點(diǎn)。隊(duì)列管理使用先進(jìn)先出原則，復(fù)制機(jī)制使用無(wú)限復(fù)制。

在MaxProp算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張路由表，用來(lái)預(yù)測(cè)通過(guò)目前的鄰居節(jié)點(diǎn)到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的可能性。路由表通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)和消息中提取的信息來(lái)維護(hù)。由此可知，轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制使用了歷史信息，復(fù)制機(jī)制使用了無(wú)限復(fù)制，隊(duì)列管理使用了目的無(wú)關(guān)原則。

2 DTN路由協(xié)議仿真

經(jīng)過(guò)理論分析得出，消息在傳播的過(guò)程中消息的副本量在網(wǎng)絡(luò)中越多，那么消息的投遞成功率就會(huì)越高。本節(jié)將設(shè)置仿真場(chǎng)景，模擬移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)環(huán)境，對(duì)上述幾種路由協(xié)議進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與理論分析進(jìn)行對(duì)比。觀察的主要參數(shù)有消息成功投遞率、平均時(shí)延和路由開(kāi)銷(xiāo)等。

2.1 仿真場(chǎng)景及設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景地圖是一個(gè)城市地區(qū)，共選擇125個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并對(duì)它們的運(yùn)行軌跡進(jìn)行了設(shè)置，模擬了道路、步行街、郵局、商店、公交、有軌電車(chē)等節(jié)點(diǎn)裝載工具，仿真的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。所有節(jié)點(diǎn)共分為6個(gè)組，分別用字母p、c、w、t表示。其中p代表一組行人，c代表汽車(chē)，w代表另一組行人，t包括3組有軌電車(chē)，每一組運(yùn)行在不同的子區(qū)域。隨著公交和行人的隨機(jī)移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自組網(wǎng)，并且消息的遠(yuǎn)端與目的端的鏈路會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)發(fā)生斷裂，這與DTN的特點(diǎn)一致。

圖1 仿真場(chǎng)景圖

2.2 仿真結(jié)果及分析

在仿真過(guò)程中分別加載了3種路由協(xié)議并對(duì)其進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表1所示，仿真時(shí)間都為43 200 s。在仿真過(guò)程中，每一種路由協(xié)議下都發(fā)送1 461個(gè)報(bào)文，其余參數(shù)一致。

根據(jù)表2可以看出，這3種路由協(xié)議都具有較高的投遞成功率，而它們的路由開(kāi)銷(xiāo)都很高，緩存時(shí)間較長(zhǎng)。由于DTN網(wǎng)絡(luò)本身就不注重延遲和開(kāi)銷(xiāo)，因此路由協(xié)議投遞成功率可以通過(guò)提高開(kāi)銷(xiāo)和延時(shí)來(lái)?yè)Q取。但是投遞成功率還是遠(yuǎn)低于普通無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)要求。

從這3種路由算法進(jìn)行比較可以看出，MaxProp路由算法傳輸報(bào)文最多，傳輸效率最高，路由開(kāi)銷(xiāo)較低。這是因?yàn)樵贛axProp路由算法中每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張路由表，預(yù)測(cè)了通過(guò)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)(包括目的節(jié)點(diǎn))的可能性，在傳輸?shù)倪^(guò)程中不是盲目地轉(zhuǎn)發(fā)，并且它的平均傳輸跳數(shù)也最低。

PROPHET路由算法比傳染性路由算法的表現(xiàn)較好、平均跳數(shù)較低，這是由于PROPHET實(shí)際上是對(duì)傳染性路由協(xié)議的改進(jìn)，傳染性路由協(xié)議是無(wú)條件地向鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，PROPHET路由算法是計(jì)算該鄰居節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的可能性，如果比自己高的話(huà)才會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)，所以表現(xiàn)較好。

表1 三種網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的仿真對(duì)比

通過(guò)以上分析，在通信環(huán)境復(fù)雜、穩(wěn)定性較低、期望投遞率較高的網(wǎng)絡(luò)中，采用節(jié)點(diǎn)間消息復(fù)制量無(wú)限制、節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的關(guān)于鄰居節(jié)點(diǎn)、鏈路、轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)、跳數(shù)等信息越多，那么消息投遞的成功率會(huì)越高，但與此同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)也會(huì)增加，這也是DTN網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐中，需要根據(jù)實(shí)際情況做出適當(dāng)?shù)恼壑小?/p>

3 機(jī)動(dòng)環(huán)境下的應(yīng)用分析

機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通常需要部署在戰(zhàn)場(chǎng)、災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中。在這些惡劣環(huán)境中，通信節(jié)點(diǎn)時(shí)刻面臨干擾和毀傷打擊，一些重要信息例如戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、災(zāi)情信息即使在網(wǎng)絡(luò)遭受打擊時(shí)，仍需要完整、及時(shí)地發(fā)送給指揮節(jié)點(diǎn)。在這些場(chǎng)合中，機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)必須具有更高的抗毀性能。

目前的DTN路由算法尚不能直接應(yīng)用到機(jī)動(dòng)通信環(huán)境中，它們的主要問(wèn)題包括:

①網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單調(diào)。通常的MANET網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)都假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)平等，這是出于簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)的考慮，但是單一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)毀傷后容易產(chǎn)生分割;

②路由方法單一，不能自適應(yīng)地調(diào)整，在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^頻繁和多樣，需要更靈活的路由方法以保證較高的可靠性;

③路由安全方面的考慮較少。如果被敵方獲取通信節(jié)點(diǎn)，則可能竊取我方信息或者破壞整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò);

④仿真結(jié)果表明DTN路由算法的投遞率仍然較低，不適應(yīng)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)對(duì)通信高可靠性的要求。

因此機(jī)動(dòng)通信環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的路由算法需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)頂層設(shè)計(jì)，采用跨層設(shè)計(jì)方案，優(yōu)先考慮抗毀性、安全性和自適應(yīng)能力等指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

DTN網(wǎng)絡(luò)和機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的使用環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有很多相似之處。本文試圖通過(guò)分析DTN網(wǎng)絡(luò)的核心機(jī)制－路由算法，找到適合機(jī)動(dòng)通信環(huán)境的組網(wǎng)機(jī)制。在分析了部分主流DTN路由算法的主要技術(shù)及其特點(diǎn)后，對(duì)幾種主流DTN路由算法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，這幾種路由算法的開(kāi)銷(xiāo)較大，包括節(jié)點(diǎn)緩存空間和傳輸時(shí)延。而且傳輸成功率還不能達(dá)到機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)的指標(biāo)要求。在機(jī)動(dòng)通信環(huán)境下，不僅要求消息的投遞率高，同時(shí)也要保證消息的完整性和安全性，因此目前DTN網(wǎng)絡(luò)中路由算法無(wú)法直接應(yīng)用到機(jī)動(dòng)通信環(huán)境。下一步采用跨層設(shè)計(jì)，結(jié)合接入層和物理層參數(shù)可能是一個(gè)可行的方向?？偠灾?，如何設(shè)計(jì)具有高投遞率、低開(kāi)銷(xiāo)、高穩(wěn)定性和安全性的路由算法是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但是其應(yīng)用前景廣泛，在應(yīng)急通信以及機(jī)動(dòng)通信環(huán)境將會(huì)發(fā)揮很廣泛的作用。

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Study on DTN Routing Protocols in Mobile Communication Network

LI Wen1，LIU Wen2，F(xiàn)ENG Wei1，ZHENG Xiang-quan1
(1．Institute of China Electronics System Engineering Company，Beijing 1000000，China; 2．The Archives of Ministry of Information Technology，Beijing 1000000，China)

The circumstance of the mobile communication network is usually very severe，and interplanetary internet，sensor network，temporary network for disasters and sudden emergencies are considered as mobile communication network．These networks have such characteristics as large delay，intermittent link loss，low data rate，etc．The traditional IP protocol stack does not work well in these networks．To address these issues，Delay Tolerant Network(DTN)has been proposed．The Bundle layer in the DTN can mitigate these issues．Furthermore，appropriate routing protocols can improve the communication quality in the network．In this paper，some popular routing protocols are classified in terms of queue management，message replication and forwarding mechanism．These routing protocols have been simulated，with the key performance metrics and characteristics of the DTN．Finally，the simulation results show that DTN routing mechanism can’t be applied directly in mobile tactical network，but some ideas could be referred．

mobile communication;DTN;routing protocols

TP393

A

1003－3114(2015)05－15－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.04

李文，劉文，馮微，等．機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)中的DTN路由協(xié)議研究［J］．無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，2015，41(5):15－18．

2015－04－22

李文(1979—)，男，工程師，主要研究方向:無(wú)線(xiàn)通信。劉文(1982—)，女，碩士研究生，主要研究方向:指揮自動(dòng)化。