基于DTN與MANET的自適應融合網絡協(xié)議設計*

黃星河 ，李艾靜 , ，王 海

（1.中國人民解放軍陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，有限的基礎設施已經無法滿足人們對于信息獲取日益增長的需求。特別是在一些人口稀疏、環(huán)境惡劣、基礎設施受到嚴重破壞的地區(qū)，如我國西北部地區(qū)、汶川災區(qū)以及戰(zhàn)場中。在這類地區(qū)中，部署基礎設施成本高、效率低，人們希望能夠出現(xiàn)一種方便部署且成本較低的數據傳輸網絡。隨著智能手機、便攜計算機、無人機等無線設備的普及，移動無線通信網絡的研究越來越受到廣泛關注。移動無線通信網絡由移動無線節(jié)點構成，用戶可以在沒有基站等基礎設施的情況下傳輸數據，因此移動無線通信網絡有希望成為缺乏基礎設施地區(qū)的新型網絡。

移動Ad-hoc網絡（Mobile Ad-hoc NETworks,MANET）和延遲/中斷容忍網絡（Delay/Disruption-Tolerant Network，DTN）是目前發(fā)展較成熟的移動無線通信網絡架構模型。但是，由于MANET和DTN有著完全不同的網絡架構模型與傳輸模式，導致MANET與DTN在性能特點上各有不同。在節(jié)點覆蓋率高、節(jié)點移動速度慢的網絡環(huán)境中，節(jié)點與節(jié)點之間可以形成較穩(wěn)定的鏈路。在這種網絡中，MANET網絡能提供較可靠的通信保證，而DTN由于特殊的傳輸模式，在鏈路穩(wěn)定的網絡中相比于MANET效率較低。但是，在用戶密度較低、節(jié)點運動能力較強的網絡中，節(jié)點與節(jié)點很難形成穩(wěn)定可靠的鏈路。在這種網絡中，MANET的性能急劇下降，但是此時DTN卻能提供較為可靠的通信保障[1]。

DTN與MANET各有優(yōu)勢與不足，兩者在性能上可以形成有效的互補。為了能夠提高移動節(jié)點組網通信性能，本文提出了一種有效利用MANET和DTN的融合網絡傳輸協(xié)議。該協(xié)議以移動節(jié)點的密度和需要發(fā)送的數據大小為參考變量，通過制定合適的策略在DTN與MANET中進行切換。通過使用仿真平臺進行驗證，結果表明提出的自適應融合網絡協(xié)議能夠有效提升無線通信網絡的性能。

本文安排如下：第1節(jié)介紹了融合網絡設計背景以及需要解決的問題；第2節(jié)通過仿真平臺分析DTN與MANET的網絡性能；第3節(jié)介紹了自適應網絡的協(xié)議設計；第4節(jié)介紹了仿真實驗結果；第5節(jié)中總結了未來的研究方向。

1 系統(tǒng)背景及問題描述

1.1 MANET概述

在MANET中，所有節(jié)點與其他節(jié)點交換路由控制消息，并根據從其他節(jié)點接收到的消息構建路由表。所有數據都基于建立的路由表選擇路徑，源節(jié)點的數據經中間節(jié)點傳遞至目的節(jié)點。如果一條鏈路斷開，則網絡根據路由協(xié)議重新確定路徑至目的節(jié)點。源節(jié)點和目標節(jié)點之間采用雙向鏈接，是端到端數據交互的可靠保證。數據利用協(xié)議層在移動網絡中傳遞，協(xié)議層為數據在網絡中傳遞提供服務，服務是在服務接入點提供給上層使用的。另外，MANET網絡架構中存在許多路由協(xié)議與之配套相關。節(jié)點通過選擇合適的路由方案建立鏈路，然后將數據傳輸至目的節(jié)點[2]。例如，優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由（OLSR）和按需距離矢量（AODV）都是經典路由協(xié)議的代表。但是，在不穩(wěn)定的網絡鏈接中，基于TCP/IP協(xié)議的MANET網絡無法獲得理想的性能。這是因為不可靠的網絡連接環(huán)境導致節(jié)點之間頻繁的中斷，使得依靠快速返回確認的TCP/IP協(xié)議失效，且在這種網絡環(huán)境中，路由表的準確性在很短時間內會迅速降低，大大降低了網絡連接性和可靠性。

1.2 DTN概述

DTN延遲/中斷容忍網絡又被稱為機會連接網絡，可以工作在缺乏可靠鏈路的網絡中。當源節(jié)點有數據需要發(fā)送時，數據會被首先存放至節(jié)點的Bundle層中。該層位于應用層之下傳輸層之上，具有緩存數據等功能[3]。Bundle層中的協(xié)議代理會查詢其自身的路由表，尋找該數據需要轉發(fā)的下一跳地址。當下一跳節(jié)點在通信范圍以內時，Bundle層中的協(xié)議代理將該數據發(fā)送至下一跳節(jié)點的Bundle層中。當下一跳節(jié)點不在通信范圍內時，Bundle層中的協(xié)議代理會啟動TTL生存時間計時器。如果該數據包在生存時間到期前未能被傳遞至下一跳節(jié)點，那么該數據包會被丟棄。移動節(jié)點（如衛(wèi)星、無人機、汽車、卡車）被用作數據輪渡，以從多個數據源收集、存儲和攜帶數據到目的節(jié)點。DTN使用逐跳確認機制與“存儲-攜帶-轉發(fā)”的傳輸方式，來對抗網絡延遲和中斷帶來的影響。但是，因為節(jié)點使用這種特殊的方式傳遞數據，所以不能保證端到端的通信。多個相鄰節(jié)點通過復制數據達到傳遞的目的，因此在鏈路可靠的網絡中，DTN消耗的網絡資源比MANET多。此外，由于所有需要發(fā)送或者轉發(fā)的數據都需要在Bundle層中進行緩存，所以會帶來額外的延遲。

1.3 傳統(tǒng)的混合網絡協(xié)議

DTN與MANET各有優(yōu)勢與不足，因此已經有研究者嘗試設計了一系列的協(xié)議流程，使用DTN與MANET網絡相結合優(yōu)化全網整體性能。例如，文獻[4]采用一種分布式混合方法，將網絡架構的選擇權分配到所有節(jié)點上，每個節(jié)點收到數據后會根據自身的網絡狀態(tài)做出決策，選擇使用哪種網絡體系架構將數據包轉發(fā)出去；文獻[5]對節(jié)點進行分組，在組內使用MANET通信，在組與組之間使用DTN通信；文獻[6]提出了基于信任度的路由參數計算的混合MANET-DTN候選節(jié)點選擇機制；文獻[7-8]中，節(jié)點根據自身狀態(tài)如緩存區(qū)大小、運動速度等和周圍的網絡環(huán)境，選擇合適的網絡架構傳輸數據。文獻[9-10]使用DTN的主動路由協(xié)議配合MANET提高在應急環(huán)境下的通信性能。這些方法的基本原理都為當源節(jié)點無法找到通往目的節(jié)點的可用鏈路時采用DTN作為備選方案用于數據傳輸，但是忽略了DTN在傳輸大數據時的優(yōu)勢和MANET在傳輸過程中鏈路中斷的風險。因此，設計的融合網絡協(xié)議仍需要進一步完善。

2 MANET與DTN的性能分析

2.1 MANET網絡性能分析

在MANET網絡中，網絡的傳輸效率與節(jié)點的密度、通信半徑、信道狀態(tài)等因素有關。為了探究各種影響因素對MANET網絡造成的影響，本文進行了一系列實驗。

MANET鏈路上的比特錯誤需要修正（需要更多比特和更多處理）或重傳整個數據包（這會導致更多的網絡流量）。當鏈路錯誤率一定時，MANET模式下的端到端重傳數據量會隨著跳數的增加而呈指數型增加。因此，鏈路的傳輸性能隨著跳數的增加呈指數型下降。為了獲得準確的數據，本文在現(xiàn)實中搭建了MANET的實驗床測試MANET的網絡性能。實驗床硬件采用樹莓派3B，路由協(xié)議使用OLSR路由協(xié)議，無線信道使用樹莓派自帶的WiFi信道。本文使用Iptables通過屏蔽部分節(jié)點的MAC地址控制節(jié)點形成的拓撲結構。通過收集大量的數據計算均值，得到了鏈路跳數與帶寬的關系，如圖1所示。

圖1 MANET中鏈路跳數與帶寬的關系

通過收集的數據可以看出，鏈路跳數是影響DTN與MANET網絡性能的關鍵因素。跳數的增加不僅影響鏈路的帶寬，隨著跳數的增加和節(jié)點的移動，在數據傳輸完成前，鏈路改變的可能性也隨之增加，且由于帶寬隨著鏈路跳數的增加而降低，導致傳輸完成時間加長，增加了鏈路改變的概率。

本文假設節(jié)點運動模型，如圖2所示。節(jié)點相對移動速度為v m/s，數據包在網絡拓撲不改變的前提下傳輸完成需要的時間為t s，節(jié)點的通信半徑為R m，節(jié)點從任意方向角度進入到對方的通信范圍。本文首先計算當節(jié)點相互位于一跳范圍內時數據在傳輸完成前斷開的概率。

圖2 節(jié)點運動模型

為了簡化計算復雜度，本文假設在傳輸過程中網絡的帶寬不會隨著信道的狀態(tài)改變而發(fā)生改變，且節(jié)點只作勻速直線運動。在圖1傳輸模型中，假設一跳的平均帶寬為G Mb/s，需要傳輸的數據包大小為M Mb。因此，預計傳輸時間t=M/G，源節(jié)點會在任意時刻任意位置發(fā)送數據。如果在傳輸數據這段時間內數據節(jié)點移出了對方的通信范圍，則傳輸失敗。因此，數據傳輸成功的概率如下：

（1）當vt＜2R時，傳輸成功的概率為0；

（2）當vt＞2R時，傳輸成功的概率為：

MANET端到端的帶寬影響因素很多，其中傳輸經過的鏈路跳數是一個重要方面。傳輸過程中，鏈路的帶寬會隨著跳數的增加而減小，且其傳輸鏈中斷的可能性也會大大增加。本文設使用MANET在跳數為n的鏈路中的傳輸帶寬為Gn，所有節(jié)點均相互獨立、隨機移動，因此得到在傳輸完成前通往目的節(jié)點的鏈路改變的概率Pn為：

傳統(tǒng)的DTN與MANET混合協(xié)議，在使用MANET轉發(fā)過程中，由于節(jié)點的移動很有可能造成通往目的節(jié)點的可用鏈路中斷或者鏈路狀態(tài)變差，造成傳輸失敗。一般情況下，數據包越大，傳輸的時間越長，鏈路變化的可能性越大。為了探索使用MANET時數據包大小、節(jié)點密度與帶寬的關系，本文進行了仿真實驗，并且收集了相關數據。如果數據傳輸前鏈路存在，在傳輸過程中鏈路斷開，且無其他可用鏈路通往目的節(jié)點，則傳輸失敗，帶寬記為0；如果在傳輸過程中鏈路改變?yōu)槠渌鴶档逆溌?，則按照共同傳遞完成該數據包的平均帶寬計算，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，發(fā)送數據包大小一定時，全網的平均帶寬隨著節(jié)點密度增加而降低。當節(jié)點密度一定時，全網的平均帶寬隨著數據包的增大而降低。這是由于隨著數據包的增大，數據被完全傳輸完成前鏈路變化的可能性隨之增加，而網絡由連接變?yōu)橹袛啵蛘呔W絡性能變差的可能性也隨之增加。隨著節(jié)點密度的增加，這種變化趨于平緩。因為當節(jié)點密度增大時，網絡變化的波動幅度會隨之變小，鏈路斷開或者更差鏈路的可能性也隨之降低。

2.2 DTN網絡性能分析

與MANET網絡不同，DTN是一種機會型網絡，其使用“存儲-攜帶-轉發(fā)”的模式傳遞數據。因此，DTN的性能與MANET的網絡性能會有很大不同。為了探索DTN與MANET性能上的差別，本文在與MANET相同的仿真環(huán)境下對DTN進行了測試。DTN使用直接路由算法。這種路由算法只有當源節(jié)點與目的節(jié)點相遇時才會傳遞數據。首先，本文將數據包大小固定為100 Mb，尋找節(jié)點密度與DTN全網平均帶寬之間的關系。本文通過收集在單位時間內到達目的節(jié)點的數據量計算均值獲得全網平均帶寬，仿真結果如圖4所示。

圖4 DTN全網平均帶寬與節(jié)點密度的關系

從仿真結果可以看出，使用直接路由方案時，DTN全網的平均帶寬與節(jié)點密度相關性不強，這主要是因為節(jié)點之間獨立運動，且選擇的目的節(jié)點是隨機的，所以節(jié)點與節(jié)點相遇的概率是均等的。因此，得到的DTN全網平均帶寬與節(jié)點密度沒有必然關系。

在理論中猜測DTN的帶寬與數據包的大小有關，因此本文更改數據包大小，探索數據包大小與全網平均帶寬的關系。仿真環(huán)境與上述實驗相同，節(jié)點數量選擇100個，結果如圖5所示，并不和預期的一樣，DTN的帶寬并不會隨著數據包大小的增加而一直增加。究其原因，主要是本文使用的是直接路由算法傳遞數據，只有當源節(jié)點與目的節(jié)點相遇時才會傳遞數據，但是當數據包過大時，節(jié)點在一跳范圍內傳輸速度有限，且節(jié)點相遇時間有限，隨著數據包的增大，數據不能在一次相遇的時間內完成傳輸，當數據包大小超過兩節(jié)點一次相遇所能傳輸的極限值后，其平均帶寬反而減小。

圖5 DTN網絡中數據包大小和全網平均帶寬的關系

3 自適應網絡協(xié)議設計

該自適應融合網絡協(xié)議主要由節(jié)點密度、節(jié)點速度、節(jié)點通信半徑、當前通往目的節(jié)點可用鏈路的跳數、當前通往目的節(jié)點鏈路的最大帶寬和需要發(fā)送的數據包的大小等參數組成。其中，當前通往目的節(jié)點鏈路的最大帶寬會隨著無人機所處環(huán)境的改變出現(xiàn)較大波動，因此該參數具有很強的不確定性。雖然有些研究者提出了一些關于帶寬與節(jié)點所處網絡環(huán)境之間關系的數學模型，但是使用這些數學模型會帶來兩個問題。第一，這些數學模型在估計當前鏈路帶寬時需要大量的周圍環(huán)境參數，增加了協(xié)議設計的復雜度。第二，這些數學模型只是對當前鏈路帶寬的估計，并不能真實反映當前的鏈路帶寬。本文假定節(jié)點能通過使用一些輔助軟件如iptable等直接測量當前鏈路的實時帶寬，以降低協(xié)議設計的復雜度。

當數據需要發(fā)送時，源節(jié)點首先檢查是否有通往目的節(jié)點的可用鏈路。如果沒有可用鏈路通往目的節(jié)點，則將該數據存儲在Bundle層中使用DTN進行傳輸；如果有通往目的節(jié)點的可用鏈路，則分別計算使用DTN和MANET的期望帶寬，通過選擇能夠獲得更大期望帶寬的傳輸方式將該數據傳輸至目的節(jié)點。

期望帶寬的計算由兩部分組成。

第一部分，字典建立過程。在先前的研究中發(fā)現(xiàn)，MANET網絡中影響其全網平均帶寬的主要因素為節(jié)點密度和發(fā)送數據包的大小，如圖3所示。而在DTN網絡中，影響全網平均帶寬的主要因素為需要發(fā)送的數據包大小和節(jié)點的移動速度，如圖5所示。因此，當需要發(fā)送的數據包大小、節(jié)點的移動速度以及全網無人機密度三個參數確認后，使用MANET和DTN網絡轉發(fā)該數據包的全網平均帶寬，便可以通過仿真得到。因此，該自適應融合網絡協(xié)議假設在無人機網絡中所有源節(jié)點均預先保留一本字典，該字典記錄的內容為在節(jié)點密度為m、需要發(fā)送數據包大小為d、節(jié)點運動速度為s的網絡中，使用MANET與DTN網絡所能獲得的全網平均帶寬分為Hm,s,d和Ds,d。

第二部分，根據第一部分建立的字典，將需要發(fā)送的數據大小、節(jié)點密度以及節(jié)點速度映射為全網平均帶寬，并根據全網平均帶寬計算當前鏈路的期望帶寬。在DTN中，當前鏈路的期望帶寬與全網平均帶寬一致，為Ds,d。在MANET中，使用式（2）計算得到使用當前鏈路傳輸完成前鏈路改變的概率P。由于改變的趨勢是不確定的，當前鏈路經過改變后可能變好也可能變差，但是其改變后的帶寬期望和全網的期望帶寬相同。因此，得到了當前鏈路下使用MANET發(fā)送該數據包的期望帶寬為：

其中Hn為當前鏈路通過iptable等工具測量的實測帶寬。

4 仿真結果及分析

本文利用該協(xié)議進行仿真收集的數據，得到使用該協(xié)議的全網理論平均帶寬，并對傳統(tǒng)的未改進的DTN與MANET的混合算法進行了仿真。在上述環(huán)境中，假設當節(jié)點數為100時收集到了全網平均帶寬與數據包大小的相關數據如圖6所示。

圖6 各網絡協(xié)議間的對比

從圖6可以看出，相比于傳統(tǒng)的DTN與MANET混合協(xié)議，改進的DTN與MANET的混合算法有效增加了全網的平均帶寬，且與傳統(tǒng)的DTN與MANET相比，提出的方法在保證數據能夠有效到達目的節(jié)點的前提下，有效提升了網絡性能。

5 結 語

DTN與MANET有著兩種完全不同的體系架構和傳輸模式，各有優(yōu)勢。在可靠網絡中，MANET表現(xiàn)優(yōu)異；在不可靠網絡中，DTN能夠提供較可靠的通信保證。本文在傳統(tǒng)DTN與MANET網絡協(xié)議的架構基礎上，提出了融合網絡協(xié)議新方法，并且通過仿真實驗驗證了該理論的有效性。但是，從仿真結果看，相對于其他網絡架構，提出的改進的自適應混合網絡模型性能提升不明顯，這主要是由于本文選擇的DTN路由算法效率較低。后續(xù)研究中將嘗試對不同的路由算法進行分析，得到能獲得更大效益的路由算法組合。此外，隨著社會的發(fā)展，人類對信息的依賴程度越來越高，如何有效提高網絡性能是未來很長一段時間需要研究解決的問題。