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      2. 空間信息網(wǎng)絡(luò)DTN互聯(lián)方法研究論文

        時(shí)間:2021-04-14 11:08:19 論文 我要投稿

        空間信息網(wǎng)絡(luò)DTN互聯(lián)方法研究論文

          當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍飛速擴(kuò)展,地面有線網(wǎng)、地面無(wú)線網(wǎng)、空間衛(wèi)星網(wǎng)均已成為承載網(wǎng)絡(luò),信息在傳輸過(guò)程中可能會(huì)經(jīng)歷幾種不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,端與端之間的通信不再是單一的協(xié)議形式.而空間網(wǎng)絡(luò)通信的主要挑戰(zhàn)來(lái)自于鏈路誤碼率高、傳輸時(shí)延長(zhǎng)、上下行帶寬不對(duì)稱、鏈路可用時(shí)間有限、拓?fù)渥兓l繁等,此外不同空間位置(遠(yuǎn)地鏈路、星間鏈路、星地鏈路等)的通信子網(wǎng)也有很大的性能差異[1],使其難以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所達(dá)到的Qos及可靠性要求,要想使其成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)重要且可靠的組成部分,則需要針對(duì)以上挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)有效的協(xié)議體系.目前面向空間網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議主要分為4類:CCS-DS協(xié)議體系[2]、TCP/IP協(xié)議體系[3]、CCSDS與TCP/IP結(jié)合的協(xié)議體系[4]、DTN協(xié)議體系.基于DTN的協(xié)議體系相比其他體系,在空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有更好的性能和可擴(kuò)展性[5],被CCSDS作為空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的發(fā)展方向.隨著天地一體化的發(fā)展,基于DTN的空間網(wǎng)絡(luò)與基于TCP/IP的地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問(wèn)題亟待解決,本文面向此問(wèn)題提出DTN環(huán)境下異構(gòu)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)半物理仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行分析.

        空間信息網(wǎng)絡(luò)DTN互聯(lián)方法研究論文

          1相關(guān)工作

          目前很多針對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性的研究面向改進(jìn)傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議[6,7],使之適應(yīng)空間通信的特點(diǎn),但這些工作未實(shí)現(xiàn)根本機(jī)制的改變,所實(shí)現(xiàn)的性能改善程度有限.文獻(xiàn)[8-10]在地面節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)衛(wèi)星網(wǎng)和地面網(wǎng)的功能,但沒(méi)有考慮到衛(wèi)星網(wǎng)中的間斷連通特性.空間網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)根本特點(diǎn)是鏈路通斷切換頻繁,必須以DTN的角度展開(kāi)設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了面向DTN的協(xié)議適配網(wǎng)關(guān),但主要面向各種版本TCP協(xié)議的兼容.為了促進(jìn)DTN的快速部署以及與傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián),NASA提出了IP-over-DTN方案[12].其核心思想是在網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先采用IP技術(shù),只有當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)受限網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)鏈路中斷時(shí)才將IP包封裝到DTN的Bundle包中,由DTN繼續(xù)完成數(shù)據(jù)的傳輸.這種方案的優(yōu)點(diǎn)是既可以利用DTN技術(shù)在受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸,又不用犧牲IP技術(shù)的高效性和兼容性,但由于將IP包直接封裝到Bundle包中,這種方案有較大的開(kāi)銷.本文的異構(gòu)協(xié)議互聯(lián)方法則采用協(xié)議代理方案實(shí)現(xiàn)空間節(jié)點(diǎn)上的DTN網(wǎng)關(guān)及協(xié)議轉(zhuǎn)換功能.該方案不僅開(kāi)銷小,而且突破了DTN網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)TCP應(yīng)用的限制.

          2協(xié)議代理方案

          空間異構(gòu)協(xié)議互聯(lián)方法在客戶端和服務(wù)器端使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧,在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與DTN網(wǎng)絡(luò)的交界處由DTN網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與DTN協(xié)議間的轉(zhuǎn)換.DTN的核心思想是在應(yīng)用層與下層之間引入“Bundle層”作為連接不同網(wǎng)絡(luò)的覆蓋層.Bundle層可以通過(guò)匯聚層適配器(如TCP適配器、UDP適配器等)在IP網(wǎng)絡(luò)之上傳輸DTN流量,從而實(shí)現(xiàn)DTN網(wǎng)絡(luò)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián).應(yīng)用層協(xié)議需要基于Bundle層接口進(jìn)行重構(gòu),但目前傳統(tǒng)IP應(yīng)用所提供的功能在這種協(xié)議體系下還不夠成熟.為了實(shí)現(xiàn)Bundle協(xié)議與TCP協(xié)議(衛(wèi)星鏈路對(duì)TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懼饕w現(xiàn)在TCP協(xié)議)的轉(zhuǎn)換,需要定義一個(gè)合適的`映射協(xié)議,解決應(yīng)用協(xié)議負(fù)載的傳遞、地址映射、傳輸可靠性等問(wèn)題.以下是協(xié)議代理中實(shí)現(xiàn)的主要功能:1)ACK欺騙:客戶端的DTN網(wǎng)關(guān)會(huì)偽裝成服務(wù)器與客戶端建立并維持TCP連接.這需要客戶端將DTN網(wǎng)關(guān)設(shè)置為代理服務(wù)器或者直接將DTN網(wǎng)關(guān)設(shè)置為默認(rèn)網(wǎng)關(guān).另外還要在DTN網(wǎng)關(guān)上設(shè)置需要代理的協(xié)議,并監(jiān)聽(tīng)相應(yīng)的TCP端口.2)地址映射:DTN端點(diǎn)和應(yīng)用可以用端點(diǎn)號(hào)(EID)來(lái)標(biāo)識(shí),本文所使用的EID格式為:應(yīng)用協(xié)議名://IP地址/傳輸層協(xié)議/端口號(hào)例如,IP地址為192.168.1.100的客戶端的HTTP應(yīng)用的EID為HTTP://192.168.1.100/TCP/80.當(dāng)客戶端應(yīng)用第一次與DTN網(wǎng)關(guān)建立TCP連接時(shí),DTN網(wǎng)關(guān)按照這一格式自動(dòng)根據(jù)源和目的IP地址、應(yīng)用協(xié)議名、傳輸層協(xié)議、端口號(hào)等信息生成相應(yīng)的源和目的EID,并且在該DTN網(wǎng)關(guān)的Bundle層中為代理的客戶端應(yīng)用注冊(cè)EID.而靠近服務(wù)器方的DTN網(wǎng)關(guān)則采用后綁定的方式在Bundle層中注冊(cè)該目的EID,從目的EID中解析出應(yīng)用協(xié)議名、服務(wù)器IP地址、傳輸層協(xié)議和端口等信息,主動(dòng)與服務(wù)器建立連接.3)應(yīng)用數(shù)據(jù)的封裝和解封裝:已經(jīng)在Bundle協(xié)議中注冊(cè)EID的應(yīng)用可以使用Bundle協(xié)議提供的服務(wù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù).當(dāng)收到普通應(yīng)用發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí),TCP代理需要從TCP協(xié)議中取出應(yīng)用數(shù)據(jù),然后調(diào)用Bundle協(xié)議服務(wù),把應(yīng)用數(shù)據(jù)封裝成Bundle包發(fā)送出去.當(dāng)TCP代理收到Bundle協(xié)議交付的數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)從相應(yīng)的TCP連接把應(yīng)用數(shù)據(jù)發(fā)送出去.此外,在調(diào)用Bundle協(xié)議的服務(wù)時(shí),需要提供Bundle的處理控制參數(shù),指定Bundle所要提供的服務(wù),如是否允許Bundle分片、是否需要托管傳輸、是否需要狀態(tài)報(bào)告等.這些參數(shù)需要TCP代理根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)以及預(yù)先配置的規(guī)則決定.

          3空間DTN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

         。模裕尾捎卯惒酵ㄐ拍J剑愃疲牛恚幔椋欤,通過(guò)DTN路由轉(zhuǎn)發(fā)Bundle包以實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信息傳輸.DTN的Bundle層處于應(yīng)用層之下,但Bundle下層不一定是傳輸層,也可以是鏈路層.這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)任意下層協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián).在托管模式下,DTN路由通過(guò)將交付責(zé)任委派給下一個(gè)有能力交付的DTN路由來(lái)確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸.Bundle可以通過(guò)狀態(tài)報(bào)告?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)交付過(guò)程中的狀態(tài)信息,如來(lái)自中間路由的轉(zhuǎn)發(fā)和托管信號(hào)以及來(lái)自目的節(jié)點(diǎn)的交付信號(hào).CCSDS針對(duì)空間通信的特點(diǎn)提出了一系列鏈路層協(xié)議,在圖1所示的空間DTN轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)中,采用IPOVERCCSDSAOS[13]作為鏈路層協(xié)議,可用于空對(duì)空、空對(duì)地和地對(duì)空的通信鏈路中,在CCSDS鏈路上實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)報(bào)的攜帶、建立路由、交換和空間IP網(wǎng)際元素的管理等,使空間和地面采用一致的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,實(shí)現(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)與地基網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接;采用SCPS-TP[14]作為傳輸層協(xié)議,與TCP協(xié)議和UDP協(xié)議保持良好的兼容和互操作性;在地面站以及星上局域網(wǎng)中則采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧.DTN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的具體設(shè)計(jì)如圖2所示,Bundle協(xié)議代理包括5個(gè)模塊:Bundle管理、Bundle路由、鏈路管理、匯聚層適配器和鄰居發(fā)現(xiàn).其中Bundle管理實(shí)現(xiàn)了Bundle協(xié)議的核心功能,包括Bundle封裝、注冊(cè)、保管傳輸、分片與重組、Bundle冗余等;考慮到衛(wèi)星都按規(guī)劃的軌道運(yùn)行,星間、星地間的連通性可以推導(dǎo)出來(lái),故Bundle路由模塊實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)路由和接觸圖路由[15];鄰居發(fā)現(xiàn)模塊用于發(fā)現(xiàn)周圍鄰節(jié)點(diǎn);鏈路管理模塊利用鄰居發(fā)現(xiàn)模塊提供的接觸信息來(lái)管理鏈路有效性信息;匯聚層適配器利用匯聚層的服務(wù)發(fā)送和接受Bundle包.Bundle進(jìn)程中添加的本地協(xié)議代理模塊實(shí)現(xiàn)了傳輸層代理的功能,包括IP過(guò)濾、傳輸層欺騙和自動(dòng)注冊(cè)等.使用本地代理前,需要先設(shè)置過(guò)濾條件,DTN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)起到網(wǎng)關(guān)的作用,會(huì)將符合過(guò)濾規(guī)則的IP包提交給上層,經(jīng)過(guò)傳輸層提取出數(shù)據(jù),然后交給本地代理,本地代理根據(jù)傳輸層協(xié)議以及端口號(hào)區(qū)分不同應(yīng)用,自動(dòng)為它們注冊(cè)EID.注冊(cè)成功后,來(lái)自Internet應(yīng)用的數(shù)據(jù)會(huì)直接交給Bundle協(xié)議代理,由Bundle協(xié)議代理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Bundle封裝、發(fā)起托管傳輸,當(dāng)Bundle包到達(dá)目的端DTN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí),本地代理會(huì)自動(dòng)為目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在目的端DTN網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行注冊(cè),注冊(cè)成功后,DTN網(wǎng)關(guān)發(fā)起交付規(guī)程將數(shù)據(jù)從Bundle包中解封并交付給目的節(jié)點(diǎn).

          4半物理仿真與驗(yàn)證

         。矗睂(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置

          半物理仿真的目的是用真實(shí)的Internet應(yīng)用驗(yàn)證DTN互聯(lián)方法的功能,其實(shí)現(xiàn)基于來(lái)自OPNETModeler14.5的系統(tǒng)在環(huán)(SystemintheLoop,簡(jiǎn)稱SITL)模塊,提供物理網(wǎng)絡(luò)與OPNET仿真網(wǎng)絡(luò)連接的接口,通過(guò)真實(shí)數(shù)據(jù)包與虛擬數(shù)據(jù)包格式的轉(zhuǎn)換來(lái)完成數(shù)據(jù)包在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)與虛擬網(wǎng)絡(luò)間的流動(dòng).圖3為半物理仿真場(chǎng)景圖,總共使用3臺(tái)計(jì)算機(jī),PC1和PC3分別運(yùn)行Internet的客戶端和服務(wù)器,而PC2運(yùn)行OPNET仿真場(chǎng)景,它具有兩個(gè)網(wǎng)卡,分別連接到PC1和PC3.OPNET仿真場(chǎng)景中,兩個(gè)SITL模塊用于數(shù)據(jù)的實(shí)虛轉(zhuǎn)換,兩個(gè)DTN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)用作網(wǎng)關(guān),分別為PC1和PC2上的Internet應(yīng)用提供本地代理以及接入DTN網(wǎng)絡(luò)的服務(wù).圖4為基于OPNET的空間網(wǎng)絡(luò)域,meo_sat_subnet_4為一顆中軌衛(wèi)星,geo_subnet_1為一顆同步衛(wèi)星,它們的軌道通過(guò)STK生成然后導(dǎo)入OP-NET中,Groud-sat_subnet_6為地面站,中軌衛(wèi)星和地面站中分別包含了一個(gè)STIL模塊和一個(gè)DTN網(wǎng)關(guān)(To_node_1和To_node_3為SITL模塊,DTN_gateway1和DTN_gateway2為星地間綜合網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)),同步衛(wèi)星中包含一個(gè)DTN路由節(jié)點(diǎn).以上場(chǎng)景中中軌衛(wèi)星與地面站是不可見(jiàn)的,需要通過(guò)同步衛(wèi)星進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā).為了模擬節(jié)點(diǎn)移動(dòng)造成的鏈路中斷,采用OPNET中的節(jié)點(diǎn)失效模型,讓同步衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在20~30s、40~50s、60~70s、80~90s、100~110s、120~130s等時(shí)間段內(nèi)失效.

         。矗不冢桑穑澹颍娴膶(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

          基于Iperf[16]展開(kāi)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試,客戶端向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)流,服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)接收來(lái)自客戶端的數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)收包速率、丟包率和延遲抖動(dòng).客戶端向服務(wù)器的UDP協(xié)議的5001端口發(fā)送數(shù)據(jù)包,發(fā)送速率為1Mbps/s,UDP包大小為1kbyte.圖5(a)為采用IP互聯(lián)測(cè)試的結(jié)果,實(shí)線為客戶端發(fā)送數(shù)據(jù),虛線為服務(wù)器收到的數(shù)據(jù),結(jié)果顯示在沒(méi)有端到端連接的這段時(shí)間內(nèi),客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)全部丟失.圖5(b)為DTN互聯(lián)方法的測(cè)試結(jié)果,結(jié)果顯示雖然沒(méi)有端到端的連接,數(shù)據(jù)仍可以通過(guò)保管轉(zhuǎn)發(fā),最終交付給服務(wù)器.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,使用IP互聯(lián)方法的丟包率為33%,使用DTN互聯(lián)方法的丟包率為0.

         。矗常郑蹋靡曨l點(diǎn)播實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

         。郑蹋茫ǎ郑椋洌澹铮蹋粒危茫欤椋澹睿簦┦牵郑椋洌澹铮蹋粒危郏保罚萦(jì)劃的開(kāi)源多媒體播放器,它能作為單播或多播的流服務(wù)器在IPv4或IPv6的高速網(wǎng)絡(luò)連接下使用.客戶端向服務(wù)器的10001端口發(fā)送一個(gè)視頻流.格式為avi,分辨率為1104×622,速率1210kbps.圖6(a)為使用IP互聯(lián)方法傳輸視頻的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,在鏈路斷開(kāi)時(shí)傳輸?shù)囊曨l流丟失.圖6(b)為使用DTN互聯(lián)方法傳輸視頻的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以看到在鏈路重新連接上時(shí),服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)比客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)多,這些多出來(lái)的數(shù)據(jù)就是DTN互聯(lián)方法在鏈路斷開(kāi)時(shí)間內(nèi)所保管的視頻流數(shù)據(jù).

          5結(jié)語(yǔ)

          開(kāi)發(fā)具有協(xié)議代理功能的空間DTN轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了其中Bundle層的關(guān)鍵功能,能實(shí)現(xiàn)CCS-DS協(xié)議體系、TCP/IP協(xié)議體系、DTN協(xié)議體系的功能一體化.設(shè)計(jì)半物理仿真環(huán)境模擬異構(gòu)協(xié)議空間通信場(chǎng)景,在其中對(duì)比了采用傳統(tǒng)IP互聯(lián)方法和本文的DTN互聯(lián)方法進(jìn)行UDP數(shù)據(jù)流和視頻流業(yè)務(wù)傳輸?shù)男阅,結(jié)果體現(xiàn)了DTN互聯(lián)方法在數(shù)據(jù)保管能力上的優(yōu)越性.

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