天基信息港對(duì)等共享網(wǎng)絡(luò)性能仿真

宋唐益嘉，胡鶴飛，張思睿，許凌毅，辛 寧

（1.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京 100876；2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院,北京 100876；3.中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094）

1 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，為了彌補(bǔ)現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在多域融合和數(shù)據(jù)資源處理方面的不足，天基信息網(wǎng)這一概念應(yīng)勢(shì)而出.天基信息網(wǎng)絡(luò)通過(guò)建設(shè)以高通量天基通信網(wǎng)絡(luò)為骨架，融合導(dǎo)航、遙感數(shù)據(jù)服務(wù)的集成天基信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了“天網(wǎng)”與“地網(wǎng)”的深度耦合［1］.針對(duì)天基信息高實(shí)時(shí)、多樣化、體系化應(yīng)用需求，提出了一種具備強(qiáng)大的信息處理和服務(wù)能力的天基信息港［2］.但隨著空間工作種類(lèi)與數(shù)目的增加，天基信息港的工作能力進(jìn)一步受到了挑戰(zhàn).

針對(duì)天基信息港的高性能信息處理任務(wù)，我們考慮將P2P技術(shù)與天基信息港結(jié)合.P2P技術(shù)因其特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了終端計(jì)算機(jī)資源利用率，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域（尤其是文件共享領(lǐng)域）得到了廣泛地運(yùn)用［3］.與傳統(tǒng)的地基網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)組成復(fù)雜，拓?fù)涞臅r(shí)變性更強(qiáng)；由于通信距離較遠(yuǎn)，通信時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)更高，鏈路質(zhì)量更差［4］.在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們結(jié)合了天基網(wǎng)絡(luò)信息體系的特點(diǎn)，通過(guò)分析應(yīng)用于天基信息港的集中式和結(jié)構(gòu)化分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了符合天基信息港的配置參數(shù)并搭建仿真平臺(tái)；同時(shí)對(duì)單層或雙層衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，得到不同模型的仿真結(jié)論，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性與優(yōu)勢(shì).

2 天基信息港對(duì)等共享網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型

2.1 集中式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型

2.1.1 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

該模型網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)部分：高軌天基信息港和地面用戶網(wǎng)絡(luò).由于傳輸時(shí)延和載荷限制，天基信息港作為數(shù)據(jù)中心，在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)文件索引.地面用戶網(wǎng)絡(luò)由地面多用戶組成P2P 網(wǎng)絡(luò).用戶節(jié)點(diǎn)通過(guò)提交檢索的請(qǐng)求由相關(guān)信息的節(jié)點(diǎn)回應(yīng)請(qǐng)求，按照路由機(jī)制路由到本地相關(guān)的內(nèi)容，以對(duì)等的形式通過(guò)高軌天基信息港轉(zhuǎn)發(fā)傳送到請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)上.傳統(tǒng)資源定位機(jī)制基于泛洪算法，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中結(jié)點(diǎn)平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)為b，消息的生存時(shí)間為T(mén)，則采用泛洪定位算法進(jìn)行一次文件定位請(qǐng)求產(chǎn)生的消息數(shù)為數(shù)據(jù)獲取流程如下：

（1）數(shù)據(jù)資源發(fā)布流程

天基信息港或地面用戶制作數(shù)據(jù)種子文件，并將種子文件存儲(chǔ)到天基信息港目錄中.

（2）數(shù)據(jù)請(qǐng)求與傳輸流程

地面用戶發(fā)出請(qǐng)求后，由天基信息港獲取所需資源定位信息，再由資源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)下發(fā).該流程高軌天基信息港只執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，空間復(fù)雜度為O(1).高軌天基信息港和衛(wèi)星的距離為L(zhǎng)，則資源定位延遲D=2L.

2.1.2 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：高軌天基信息港、低軌衛(wèi)星和地面用戶網(wǎng)絡(luò).在3GPP 所提出的5G 星地融合方案場(chǎng)景設(shè)定中，由于傳輸時(shí)延和資源限制，低軌道衛(wèi)星在天地一體化系統(tǒng)中主要承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景通信功能［5］，所以我們引入了低軌衛(wèi)星層進(jìn)行協(xié)同傳輸.

獲取文件過(guò)程與單層網(wǎng)絡(luò)相比，主要是第二步中不需要經(jīng)過(guò)天基信息港，低軌衛(wèi)星直接執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延.因此該網(wǎng)絡(luò)模型中，空間復(fù)雜度和定位延遲與單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)一致.

2.2 結(jié)構(gòu)化分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型

與集中式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)不同，結(jié)構(gòu)化的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中，沒(méi)有中心服務(wù)器提供集中的信息檢索和索引，解決了集中式網(wǎng)絡(luò)中單點(diǎn)故障，性能較低的問(wèn)題.同時(shí)DHT 分布式哈希表技術(shù)的應(yīng)用也克服了非結(jié)構(gòu)化對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中，洪泛查找效率低下的缺點(diǎn).目前主要考慮使用Kademlia協(xié)議實(shí)現(xiàn)天基信息港對(duì)等共享網(wǎng)絡(luò)［6］.

2.2.1 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

在結(jié)構(gòu)化的天基信息港對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中，天基信息港與地面用戶共同組成對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，除初始數(shù)據(jù)發(fā)布以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)外，與其余對(duì)等節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相同功能.

（1）路由表構(gòu)建

在Kademlia 協(xié)議中通過(guò)哈希算法對(duì)節(jié)點(diǎn)的IP 地址、資源得到m個(gè)k桶作為節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的路由表［7］.

（2）數(shù)據(jù)獲取流程

（a）天基信息港按照Kademlia 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中尋找保存資源信息的節(jié)點(diǎn).

（b）根據(jù)數(shù)據(jù)的key 值，網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代查找操作，找到目標(biāo)資源后由天基信息港進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

（c）若地面用戶節(jié)點(diǎn)中無(wú)法找到數(shù)據(jù)，向天基信息港請(qǐng)求數(shù)據(jù).

（3）復(fù)雜度分析

根據(jù)構(gòu)建的二叉樹(shù)，在有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需存儲(chǔ)O(logn) 個(gè)其他節(jié)點(diǎn)，空間復(fù)雜度為O(logn).節(jié)點(diǎn)資源定位使用二分查找法，因此資源定位的時(shí)間復(fù)雜度為O(logn).

2.2.2 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

與單層衛(wèi)星結(jié)構(gòu)化對(duì)等網(wǎng)絡(luò)不同，結(jié)構(gòu)化的雙層衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)等共享網(wǎng)絡(luò)中，天基信息港只執(zhí)行資源發(fā)布功能，低軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與地面用戶共同組成對(duì)等共享網(wǎng)絡(luò).

與單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比，雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在資源查找階段由低軌衛(wèi)星對(duì)天基信息港下發(fā)的資源信息進(jìn)行搜索.由于低軌衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)全球的高密度覆蓋，所以加入低軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)后可以提高請(qǐng)求響應(yīng)速度，擴(kuò)大用戶覆蓋范圍.從復(fù)雜度來(lái)分析，節(jié)點(diǎn)資源定位的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度不變.

總的來(lái)說(shuō)，天基信息港集中式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)繼承了中心化結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，依賴于中心服務(wù)器，可拓展性較差；而結(jié)構(gòu)化分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)地位是平等的，頻繁地進(jìn)出對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響更低，并且通過(guò)哈希算法更支持精確匹配查詢.因此，下一節(jié)我們針對(duì)天基信息港結(jié)構(gòu)化分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行具體仿真分析.

3 性能仿真測(cè)試

針對(duì)上述網(wǎng)絡(luò)模型中的結(jié)構(gòu)化分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，我們利用Java 實(shí)現(xiàn)并基于PeerSim 組件技術(shù)［9，10］開(kāi)發(fā)了Space-based PeerSim 仿真平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)層主要由Kademlia協(xié)議、隨機(jī)均勻和不可靠傳輸協(xié)議通過(guò)鏈路層傳至節(jié)點(diǎn).我們選用WireWS 網(wǎng)絡(luò)模型［10］，為了體現(xiàn)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面用戶之間的聯(lián)系，設(shè)置beta值為0.15.

3.1 單層與雙層結(jié)構(gòu)化分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)性能比較

K值是Kademlia 協(xié)議中的關(guān)鍵參數(shù)之一，表示記錄的k個(gè)節(jié)點(diǎn)信息.由圖1 可知，網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延在不同的網(wǎng)絡(luò)層次下有近10 倍的數(shù)值差距.結(jié)構(gòu)化分布式的P2P 雙層網(wǎng)絡(luò)在傳輸時(shí)延方面明顯優(yōu)于單層網(wǎng)絡(luò).

圖1 不同網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延隨K值的變化趨勢(shì)

通過(guò)圖2 可知，單層網(wǎng)絡(luò)查找成功率較雙層網(wǎng)絡(luò)更優(yōu).但隨著資源數(shù)R增加，兩者的性能差異逐漸減少.在有較大資源數(shù)（大于5）的情況下，并行查找數(shù)ALPHA 大于5 時(shí)單雙層網(wǎng)絡(luò)的差異幾乎可以忽略，查找成功率可保持在98%以上.因此相較于少資源的場(chǎng)景，雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)更適用于多用戶、多資源的大規(guī)模場(chǎng)景中.

圖2 不同網(wǎng)絡(luò)下查找成功率隨ALPHA值的變化趨勢(shì)

3.2 雙層結(jié)構(gòu)化分布式對(duì)等

由圖3 可知，隨著丟包率增加，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延逐漸降低，并且增長(zhǎng)速率也逐漸降低.在丟包率大于0.1%之后傳輸時(shí)延趨于穩(wěn)定；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的查詢成功率來(lái)說(shuō)，在丟包率大于0.9%之后趨于平穩(wěn).在增加并發(fā)查找數(shù)目后查找成功率也有所改善.意味著在該網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)鏈路質(zhì)量較差造成一定的丟包率后雖然查找時(shí)延趨于穩(wěn)定但查找成功率持續(xù)下降，所以保證低軌衛(wèi)星鏈路連接的可靠性有一定的必要性，當(dāng)下興起的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座（例如StarLink 系統(tǒng)）便是通過(guò)廣泛部署低軌衛(wèi)星來(lái)增強(qiáng)星間鏈路連接.

圖3 查詢成功率和傳輸時(shí)延隨丟包率的變化趨勢(shì)

我們以給定的概率執(zhí)行節(jié)點(diǎn)添加或刪除（失?。?，由圖4 可知，隨著節(jié)點(diǎn)的加入或刪除，整體的平均延遲變化不大.對(duì)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，隨著低軌衛(wèi)星層數(shù)的增加，地面用戶可連接節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性進(jìn)一步增強(qiáng)，因此所以該網(wǎng)絡(luò)適用于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)自由的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò).

圖4 時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)加入與刪除概率的變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

本文基于天基信息港通過(guò)引入對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的健壯性、可拓展性，并利于利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行分布式任務(wù).通過(guò)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)模型并搭建天基信息港結(jié)構(gòu)化分布式對(duì)等共享網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)Space-based PeerSim，利用該平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了具體的分析.仿真結(jié)果表明，我們所設(shè)計(jì)的方案符合對(duì)等共享網(wǎng)絡(luò)的性能特點(diǎn)，驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的合理性.并且結(jié)構(gòu)化分布式雙層網(wǎng)絡(luò)在多節(jié)點(diǎn)多數(shù)據(jù)的大型網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置后可保證查找成功率98%以上.