機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)多模式傳輸保障方法*

黃松華，張兆晨，陳 濤，汪霜玲，梁維泰

（1.中國(guó)電科第二十八研究所信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210007；2.國(guó)防科技大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410073）

0 引言

機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在航空平臺(tái)通信領(lǐng)域的應(yīng)用，主要通過(guò)多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)支撐航空平臺(tái)間的自動(dòng)連接與相互通信，實(shí)現(xiàn)指令信息、情報(bào)信息與環(huán)境感知信息分發(fā)、飛行狀態(tài)信息交換等軍民航空通信亟待實(shí)現(xiàn)的能力［1］。由于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)層提供的是面向無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，也就是說(shuō)IP 數(shù)據(jù)報(bào)傳送會(huì)出現(xiàn)丟失、重復(fù)或亂序的情況，因此，在TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中傳輸層就變得極為重要。從可靠傳輸角度，在軍事層面更加及時(shí)準(zhǔn)確地獲取態(tài)勢(shì)信息、指令信息、目標(biāo)信息，提高時(shí)敏目標(biāo)打擊鏈的傳輸效率［2］；在民事層面，保障航空用戶在飛行過(guò)程中的即時(shí)通信、流媒體服務(wù)和數(shù)據(jù)共享體驗(yàn)。當(dāng)前，機(jī)間無(wú)線環(huán)境中提供的傳輸帶寬和可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足眾多基于IP 的新應(yīng)用和服務(wù)的并發(fā)需要，而且延時(shí)與誤碼率的時(shí)變性可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用體驗(yàn)較差［3］。

本文在分析移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有傳輸模式和挑戰(zhàn)基礎(chǔ)上，提出機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)多傳輸模式及自適應(yīng)方法，在空中高動(dòng)態(tài)環(huán)境下保障業(yè)務(wù)傳輸可靠性的同時(shí)，提升了機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸能力。

1 相關(guān)工作

針對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定、路由頻繁中斷的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，以解決TCP 對(duì)數(shù)據(jù)分組丟失或亂序原因的誤判而引起的觸發(fā)慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)機(jī)制，避免網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。TCP 改進(jìn)方案主要有以下幾類：

Ki Baek Kim和Kartik Chandran 等基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)反饋提升傳輸控制協(xié)議性能，處理自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由故障問(wèn)題［4-5］。與原始TCP 相比，提高了自組織網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，使得TCP 發(fā)送端在路由重建后能夠繼續(xù)以較大的窗口進(jìn)行分組傳輸。 與TCP-Feedback 機(jī)制類似，Harshad B.Prajapati等提出了基于跨層顯式鏈路故障通告（Explicit Link Failure Notification，ELFN）的反饋機(jī)制，通過(guò)探測(cè)分組使得中間節(jié)點(diǎn)能夠與發(fā)送端進(jìn)行信息的交互，決定TCP 進(jìn)入待機(jī)模式還是正常工作狀態(tài)［6］。在ELFN通告基礎(chǔ)上，為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)分組還是確認(rèn)分組的丟失，N.Sengottaiyan 等提出了EPLN-BEAD （Early Packet Loss Notification & Best-Effort Ack Delivery，分組丟失提早通告& 盡力傳輸確認(rèn)分組）機(jī)制，減少TCP超時(shí)事件發(fā)生，提高移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的吞吐量［7］。

針對(duì)移動(dòng)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的TCP 的改進(jìn)方案還包括ATCP（Ad hoc TCP）和TCP-BuS（TCP Buffering capability and Sequence information）等［8-9］。前者在發(fā)送端的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間插入此中間層，該中間層監(jiān)聽來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的信息，并反饋給TCP，同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)接收到的重復(fù)確認(rèn)分組Acks 數(shù)量來(lái)判定信道的優(yōu)劣，以解決路由故障時(shí)或高誤碼率環(huán)境下傳輸層性能低下的問(wèn)題；后者同樣利用網(wǎng)絡(luò)層的反饋信息去檢測(cè)路由故障進(jìn)而采取相應(yīng)的策略，并在路由重建過(guò)程中，緩存從源節(jié)點(diǎn)到中間節(jié)點(diǎn)的分組。

此外，為了應(yīng)對(duì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸頻譜切換，有研究人員提出了基于TCP-MAC 跨層的TCP改進(jìn)協(xié)議TCP-CR（Cognitive Radio），解決頻譜切換導(dǎo)致的TCP 超時(shí)重傳和頻繁慢啟動(dòng)問(wèn)題，提高信道利用率、傳輸效率和端到端吞吐量［10-11］。

以上方案主要利用網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層這兩層的反饋信息，提出了正確區(qū)分網(wǎng)絡(luò)擁塞、路由失效或鏈路故障等分組丟失原因的方法，通過(guò)改進(jìn)慢啟動(dòng)過(guò)程提高了傳輸效率，然而這些方案需要建立端到端連接，這對(duì)于低時(shí)延的協(xié)同信息來(lái)說(shuō)產(chǎn)生的延遲過(guò)大，而且對(duì)于高動(dòng)態(tài)的空中環(huán)境，很難保證端到端的連接。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文綜合跨層感知（需求與丟包原因）、跨層橫向立體直傳、分段握手確認(rèn)、糾錯(cuò)等手段，提出了分段可靠、半可靠、高效直傳等多種傳輸模式及其自適應(yīng)方法，滿足低時(shí)延、高可靠、大容量等機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的不同需求。

2 多傳輸模式

針對(duì)機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)鏈路特點(diǎn)和指令、情報(bào)、控制等信息傳輸要求，在傳輸層以分段連接為基礎(chǔ)，分別采用不同的握手和確認(rèn)機(jī)制，自適應(yīng)提供分段可靠傳輸、半可靠傳輸、高效直接傳輸?shù)榷喾N傳輸服務(wù)模式。

2.1 傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

為了與基于TCP/IP 的節(jié)點(diǎn)通信，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議應(yīng)能夠與TCP 和U D P 有效地互操作；同時(shí)，在機(jī)載環(huán)境中，鏈路帶寬有限，高效的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)非常重要。機(jī)載網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在這個(gè)幀結(jié)構(gòu)中，Source port是源端口號(hào)，表示發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序的端口號(hào)；Destination port是目的端口號(hào)，表示接收數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序的端口號(hào)；Sequence number是數(shù)據(jù)幀的序號(hào)，可以解決數(shù)據(jù)幀到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)亂序的情況；Timestamp 是時(shí)間戳；mode 表示當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸采用的是哪種傳輸服務(wù)模式；HEC 是報(bào)文頭的校驗(yàn)碼，確保在無(wú)線信道下報(bào)文頭的完整性；payload 是待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；CRC-32 是待傳輸數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼，用于保證待傳輸數(shù)據(jù)的正確性，在不同的傳輸模式中作用不同。

2.2 分段可靠傳輸模式

分段可靠傳輸模式采用源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間消息分段接收、緩存、確認(rèn)與斷點(diǎn)續(xù)傳機(jī)制，在每跳的下一節(jié)點(diǎn)暫時(shí)無(wú)響應(yīng)等極端情況下，采用按需機(jī)會(huì)路由和逐跳的消息確認(rèn)代替源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間端到端的消息確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)確保的傳輸服務(wù)，即傳輸路徑上的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后立即向上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)消息，以后消息傳輸?shù)目煽啃詣t由后面的節(jié)點(diǎn)來(lái)保證，傳輸過(guò)程如圖1 所示。

圖1 分段可靠傳輸模式

其中，各段的連接協(xié)議基于TCP 進(jìn)行改進(jìn)，具體如下：1）連接建立請(qǐng)求ASYN 和數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送，無(wú)需在源目節(jié)點(diǎn)間完成3 次握手，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)發(fā)送AFIN 信令，逐段拆除連接，以適應(yīng)機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和通信鏈路質(zhì)量的波動(dòng)性。2）通過(guò)跨層感知讓發(fā)送端清楚網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)狀態(tài)，讓網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層都恰當(dāng)?shù)貐⑴c網(wǎng)絡(luò)擁塞、路由失效（移動(dòng)導(dǎo)致路由臨時(shí)失效）或鏈路故障等問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和解決過(guò)程。比如在物理層根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)距離之間的函數(shù)關(guān)系，節(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間距離的變化來(lái)預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距離超過(guò)某一閾值時(shí)，如果傳輸層發(fā)送失敗，就認(rèn)為是路由中斷導(dǎo)致了丟包；而當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，如果發(fā)送失敗，就認(rèn)為是隨機(jī)誤碼。在網(wǎng)絡(luò)層，當(dāng)發(fā)送失敗原因?yàn)槲词盏綄?duì)方應(yīng)答，可以認(rèn)為發(fā)生路徑中斷；當(dāng)失敗原因?yàn)閷?duì)方收到分組錯(cuò)誤，可以認(rèn)為鏈路質(zhì)量下降，出現(xiàn)誤碼。3）當(dāng)發(fā)現(xiàn)路由中斷時(shí)，發(fā)送端即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，凍結(jié)TCP 當(dāng)前的各個(gè)環(huán)境變量；當(dāng)發(fā)送端獲知路由恢復(fù)后，利用路由中斷前的各個(gè)變量值恢復(fù)數(shù)據(jù)的傳送。4）當(dāng)鏈路層頻繁出現(xiàn)因誤碼導(dǎo)致的發(fā)送失敗，此時(shí)發(fā)送端減速發(fā)送，減輕信道的壓力。5）通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)緩存和斷點(diǎn)續(xù)傳，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?，適應(yīng)機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性。

2.3 半可靠傳輸模式

半可靠傳輸模式采用源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間分段消息發(fā)送、連接建立請(qǐng)求和糾錯(cuò)機(jī)制，極端情況下分段化為逐跳，并通過(guò)糾錯(cuò)機(jī)制實(shí)現(xiàn)相對(duì)確保的傳輸服務(wù)，傳輸過(guò)程如圖2 所示。

圖2 半可靠傳輸模式

半可靠傳輸模式的消息及其糾錯(cuò)碼和連接請(qǐng)求ASYN 同時(shí)發(fā)送，ASYN 只發(fā)揮告知對(duì)方節(jié)點(diǎn)，作好數(shù)據(jù)接收、檢驗(yàn)糾錯(cuò)、中轉(zhuǎn)準(zhǔn)備，但無(wú)需對(duì)方節(jié)點(diǎn)確認(rèn)；數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后超時(shí)拆除單向連接，無(wú)需發(fā)送AFIN 信令。

2.4 高效直接傳輸模式

高效直接模式在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間建立直接鏈路，同時(shí)跨層調(diào)用底層的鏈路服務(wù)模式，傳輸層數(shù)據(jù)包直接封裝成鏈路層數(shù)據(jù)包通過(guò)直接鏈路發(fā)送，實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)的小容量傳輸服務(wù)，傳輸過(guò)程如圖3 所示。

圖3 高效直接傳輸模式

為了提高網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，跨應(yīng)用層和傳輸層提供業(yè)務(wù)傳輸需求的感知能力，設(shè)置不同的生命期，并提供“低時(shí)延、高可靠、大吞吐量”3 種策略。

1）針對(duì)指令信息和文本情報(bào)信息，由于量小但可靠性要求高，采用“高可靠”策略，使用分段可靠傳輸模式，把路徑分為相對(duì)穩(wěn)定的多個(gè)分段，各段內(nèi)采用改進(jìn)的可靠傳輸模式，保障高動(dòng)態(tài)環(huán)境下指令信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2）針對(duì)圖像和流媒體情報(bào)信息，由于量大但對(duì)時(shí)延要求不高，采用“大吞吐量”策略，使用半可靠傳輸模式，提高機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸能力，保障大容量情報(bào)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3）針對(duì)控制信息，由于量微但要近實(shí)時(shí)，采用“低時(shí)延”策略，使用高效直接傳輸模式，用鏈路層報(bào)頭直接封裝傳輸層數(shù)據(jù)包，再通過(guò)大功率鏈路直傳方式，減少路由轉(zhuǎn)發(fā)帶來(lái)的時(shí)間開銷，保障控制信息傳輸?shù)臅r(shí)效性。

3 對(duì)比分析

3.1 定性分析

機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)的多模式傳輸方法與TCP 傳輸體制對(duì)比如表2 所示。

表2 多模式傳輸體制與TCP 傳輸體制的對(duì)比

從表2 可以看出，本文提出的多模式傳輸方法相對(duì)傳統(tǒng)的TCP 傳輸方法傳輸效率更高，對(duì)空中高動(dòng)態(tài)無(wú)線環(huán)境，以及空中多種業(yè)務(wù)的適應(yīng)能力更強(qiáng)。

3.2 定量分析

基于OPNET 14.5 仿真平臺(tái)，開發(fā)機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)多模式傳輸仿真軟件。通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證傳輸方法有效性，并與傳統(tǒng)的TCP 傳輸協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析，證明多模式傳輸方法的有效性。

3.2.1 多模式傳輸有效性分析

主要測(cè)試在不同鏈路質(zhì)量條件下的丟包率和占用帶寬。仿真場(chǎng)景設(shè)置鏈路誤碼率范圍0.1%～5.0%；分組最大允許時(shí)延300 ms（超過(guò)300 ms分組即失效，直接丟棄）；單向網(wǎng)絡(luò)時(shí)延設(shè)50 ms~75 ms，即可支持重傳一次或兩次。

測(cè)試用例分組來(lái)自節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)2 之間持續(xù)時(shí)間200 s的雙向語(yǔ)音通話，在節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)2 之間插入轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)3，并配置其為中繼節(jié)點(diǎn)。語(yǔ)音使用G.711a 編碼，以4 ms 間隔發(fā)送，每個(gè)語(yǔ)音分組長(zhǎng)度為84 Byte。表3 列出不同鏈路誤碼率和時(shí)延條件下單向語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋谋? 可以看出，在機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)分段傳輸過(guò)程中，多模式傳輸可以有效降低鏈路質(zhì)量波動(dòng)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)丟包率，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

表3 單向語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?/p>

3.2.2 多模式傳輸與T C P 對(duì)比分析

在同樣的環(huán)境仿真測(cè)試多模式傳輸和標(biāo)準(zhǔn)TCP在不同丟包率條件下的吞吐量表現(xiàn)。仿真場(chǎng)景設(shè)置鏈路丟包率范圍為0.1%～5.0%，采用TD M A 方式分配4 Mb/s的通信信道，即500 kB/s。測(cè)試用例分組來(lái)自2 個(gè)節(jié)點(diǎn)間的50 Mb 文件傳輸，測(cè)試結(jié)果如下頁(yè)表4 所示。從表4 可以看出，在鏈路質(zhì)量變差或波動(dòng)時(shí)，多傳輸模式的吞吐量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的TCP 傳輸模式。

4 結(jié)論

機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求多樣，業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障面臨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)變、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息不精確、鏈路質(zhì)量波動(dòng)等挑戰(zhàn)。本文首先分析機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸方法研究現(xiàn)狀，然后綜合跨層感知（需求與丟包原因）、跨層橫向立體直傳、分段握手確認(rèn)、糾錯(cuò)等手段，提出基于業(yè)務(wù)分類的機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)多傳輸模式及其適應(yīng)方法。與傳統(tǒng)的TCP 改進(jìn)方案相比，本方法在滿足小容量低時(shí)延、大容量低抖動(dòng)、高可靠業(yè)務(wù)信息傳輸需求的同時(shí)，提升了機(jī)間自組織網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸能力，增強(qiáng)了空中通信的可靠性和穩(wěn)定性。

表4 多傳輸模式和標(biāo)準(zhǔn)TCP 測(cè)試結(jié)果