CN102571571A - 一种应用于时延容忍网络的多层次有效路由方法 - Google Patents

Abstract

当前，以TCP/IP协议为基础的Internet已经被广泛应用。但是TCP/IP并不能很好应用于诸如高海拔地区网络以及卫星网络等网络。时延容忍网络（DTN）是一类延迟/中断可容忍网络,具有长延时、某一时刻不存在端到端链路或者链路频繁中断、节点存储/计算能力低等特点,本文对时延容忍网络（DTN）架构和束（Bundle）协议做一个简单的介绍，并通过改进时延容忍网络（DTN）所用的路由算法来提高时延容忍网络（DTN）的吞吐率，降低其信道普遍率用率。

Description

一种应用于时延容忍网络的多层次有效路由方法

技术领域

本发明是一种面向位于卫星星座上的时延容忍网络(DTN)中束(Bundle)协议的管理优化方案。主要用于提高束(Bundle)协议在时延容忍网络(DTN)中的性能，属于时延容忍网络(DTN)束(Bundle)管理路由算法技术领域。

背景技术

基于网络服务模型的TCP/IP，可以在不同链路层技术上提供端到端的通信，然而通常情况下TCP/IP协议族的平稳运行需要对底层链路特性做如下假定：

1)数据源和目的段之间存在端到端路径；

2)网络中任何节点之间的最大往返时间(RTT)不能太长；

3)端到端的丢包率较小。

而未来的通信***结构将是一个多层体系结构，到那时，为了给网络用户提供高质量服务，通过不同层的有效的路由策略设计将会是一个很重要的研究问题。在邻近空间平台或者卫星平台，基本是依靠无线网络进行传输；通过无线网络，它可以有效进行通信中继并运行在较稳定状态。

然而，无线网络带来的问题就是在该网络中有多个热点，其网络结构并没有通常意义上的端到端路径，路径是由路由算法分配的；其次，该类网络的特征是最大往返时间(RTT)较大，丢包率较高，这都和传统TCP/IP网络相违背。

上面描绘的场景，有着交叉网的特点，为了保证可行的效果，网络必须支持一下三点：

1合理管理中断期

2实现不同接入网之间的切换

3有效防范较大的不稳定传输延迟并传输数据

有鉴于此，有人提出了时延容忍网络(DTN)结构用于高空卫星网络。

时延容忍网络(DTN)的提出原本是用于深空网络，但是因为仿真的不便，该网络渐渐演变为高空和邻近空间平台结构的网路模型，其特点是在各网络之上有一个汇聚层，并且数据的传输使用一种叫做bundle的束协议。

本专利申请的时延容忍网络(DTN)路由算法，旨在达到提高吞吐率，降低链路时延的效果。这个多层网络的路由算法可以算出通信和计算开销低的路径，并适应网络拓扑和实时网络状态的路由决策。

单个网络及其所使用的协议只适用于其所在通信区域，称之为区域网络，该区域中通信环境基本相同。各区域网络之间由于使用的协议不同一般是无法相互通信的。Internet是一个区域网络的一个特例。时延容忍网络是一个区域网络的网络，它有一个位于区域网络之上的覆盖层。通过容忍区域网络内和区域网络间因为不同网络结构和网络协议带来的较长的时延并在区域网络之间转换通信格式和参数，时延容忍网络(DTN)支持区域网络内部和区域网络之间的相互通信和互操作。

时延容忍网络(DTN)并不是基于现有对链路的假设前提，相反，时延容忍网络(DTN)的应用环境和网内节点使得时延容忍网络(DTN)具有不同于传统TCP/IP网络的特点：

1)长延时.例如在地球与火星距离最近的时候，光传播需要4min的时间，而如果两者距离最远的时候单向传播时间就会超过20min.在Internet上，传播时间一般以毫秒计算，所以，如此长的延时，很多应用，尤其是基于TCP/IP的应用是无法实现的。

2)有限节点.时延容忍网络(DTN)常常分布于深空、湖面、战场等环境中，其节点受体积和重量，携带的电源或其他设备资源限制，而有限的资源必然限制了应用的效能.导致节点不得不采用一定的策略以节省资源，从而影响链路性能。

3)间歇性连接.造成时延容忍网络(DTN)间歇性连接的原因有很多，如当前时刻没有连接两个节点的端到端路径；节点为节约资源临时关闭电源；运动超出通信范围。网络中断也可以有一定规律，如卫星网络；也可以是完全随机的，如传感器网络。

4)数据速率不对称.数据速率不对称意味着***输入流量和输出流量的数据速率存在差异。在时延容忍网络(DTN)中，数据传输的双向速率经常是不对称的，在完成深空任务时，双向数据速率比甚至可达到1000∶1或者更高。

设计时延容忍网络(DTN)架构的目的是为了提供一种普遍的解决方案来解决苛刻环境下的通信问题，支持各种区域网络包括Internet和各种受限网络的内部通信和区域网络间的通信和互操作。

1)使用存储转发方式来交互信息。在受限网络条件下由于较长时延，非对称信道，连通的间歇性和高误码率等问题，Internet的信息交互方式已经不合适。为此，时延容忍网络(DTN)通过采用类似邮政***的存储转发的方式进行信息的交换。这种方式要求每个节点都要有一个持续存储设备(例如硬盘)，这个持续存储设备要求能够无限期的存储信息。我们把该存储设备叫做节点的持续存储(Persistent Storage)。使用存储转发方式进行信息的交换时，信息从一个节点的持续存储被转发到另一个节点的持续存储。消息的转发过程如图2所示。

2)束层(Bundle Layer)时延容忍网络(DTN)在各个区域网络的各种协议层之上覆盖了一个新的协议层即束(Bundle)协议层，来实现在各个区域网络的交互。束(Bundle)协议层与各个区域网络的各种下层协议紧密结合在一起支持域内和域间的应用程序的通信。将束(Bundle)协议层应用于各种的网络，它们可以通过Bundle进行网络内和网络间的通信和互操作，这就组成了一个时延容忍网络(DTN)。而各种网络中束层(Bundle Layer)的下层协议是各种网络所特有的，仅适应自己所在网络环境的协议栈。图3表示的是一个束(Bundle)经过时延容忍网络(DTN)中各种节点的传输过程。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种应用于时延容忍网络(DTN)的多层次有效路由方法，即时延容忍网络(DTN)在卫星星座中通过束层(Bundle Layer)进行管理结合路由层改进的路由算法方法，解决时延容忍网络(DTN)中节点效率过低，时延过大的问题，从而提高时延容忍网络(DTN)的吞吐率。

技术方案：本方法基于时延容忍网络(DTN)的环境，通过改进路由算法，在不降低服务质量的基础上提高时延容忍网络(DTN)的吞吐率，使其减少拥塞时延较大，吞吐量降低等问题。

多层***的最佳路径选择方案是我们将研究的问题。通常的最佳通信路径是通过以下几方面用不同的权值来选取的：

1空余链路容量

2到达目的点的跳数

3按照最大延迟量和最大信元延迟波动(max-CDV)限制的通信的端到端延迟

本***使用的路由算法叫IDSR(Inter DTN-卫星路由)，它寻找最小跳或最大利用链路中损耗最小的路径。首先算法找到所有最小跳路径作为候补，路径通过时延容忍网络(DTN)链路，选取拥塞最小的路径。

更详细的说，这个路由策略包括下面三步：

1上联路由：定义发送端，为源端束(Bundle)服务

2下联路由：定义接收端，为目的端Bundle服务

3内部链路(IDL)路由：通过束(Bundle)在时延容忍网络(DTN)的发送端和接收端之间选择最佳路径

IDSR算法基于2点原则：1时延容忍网络(DTN)链路拓扑的规则性2最拥塞的内部链路(IDL)位于有热点链接的路径

热点链接是路径中最拥塞的内部链路(IDL)，或者说内部链路(IDL)拥有最大的使用率。在IDSR算法中，我们使用路径最大使用率来衡量热点链接。

这个路由问题可以定义为链路最小和最大链路使用率的最优化问题以及获得一个网络载入平衡。

方法流程：

首先路由程序找到最小跳路径(SP)，同时其端到端延迟应低于默认链路延迟。如果条件符合，路由程序会找到每条路径上的热点链接，做比较，避免拥塞的热点链接。如果没有这样的点(SP上路径都拥塞)，或者路径延迟高于默认链路延迟，这些最小跳路径(SP)不符合内部链路(IDL)，路由算法将使用束层(Bundle Layer)原始链路，并降低端到端最小延迟的限制。

为了更好解释这个路由问题的规格，下面介绍几个定义：

1P时延容忍网络(DTN)中区域网络之间路径的内部链路(IDL)。

2

表示路径P从源S到目的D。

3表示每个内部链路(IDL)的损耗，vacancy(1)对应的是l链路上可用信道数量。

4

C(P)指P路径上的损耗，该公式指所有通过P路径的损耗之和。

5源和目的之间的最小损耗

指的是所有可能的从S到D的路径P中损耗最小的。

6从地面终端通过时延容忍网络(DTN)的端到端时延随每个包的变化而变化，其公式如下：

ΔT(P)＝T_IDLS+T_PROC+T_QUEUE+T_UP+T_DOWN

T_IDLS＝∑_i∈PL_IDL(i)/λ指通过每个区域网络的传播时延，L_IDL(i)是第i个网络路径的长度，λ是光速。

T_PROC＝∑_i∈PT_PROC(i)指通过所有路径的处理时延，T_PROC(i)是在第i个网络路径上的处理时延。

T_QUEUE＝∑_i∈PT_QUEUE(i)指通过所有路径的队列时延，T_QUEUE(i)是第i个网络路径上资源管理损耗的队列时延。

T_UP和T_DOWN指的是通过时延容忍网络(DTN)的上行链路和下行链路上的传播时延。

7Sat_Delay指从地面终端通过束层(Bundle Layer)原始路径到达卫星层的端到端时延，其随着每个包变化而变化，其包括：传播时延，处理时延，队列时延。

使用上述定义，由源到目的端的IDSR算法公式如下：

min z

z＝C(P_S→D)

ΔT_end-to-end(P_S→D)＜Sat_Delay

这个公式说明了，时延容忍网络(DTN)的拓扑链路上不应该有任何瓶颈路径限制全局效果，此外为了尽量减小最大链路利用率，算法确保了每条链路上的通信量应尽量分布公平。

虽然IDSR的算法复杂度同迪杰斯特拉算法相同都是Θ(n²)(n表示时延容忍网络(DTN)节点数)，结果所选择的链路路径却截然不同。IDSR算法选择的链路并不满足迪杰斯特拉关于最小损耗的目标，它的目标在平衡时延容忍网络(DTN)全网通信量的同时实现链路最佳利用率。

应用于时延容忍网络(DTN)的多层次有效路由方法步骤如下：

步骤1.由路由发送自己所在拓扑序列，通过内部网关协议探索拓扑路径，由束层(Bundle Layer)选取源节点和目的节点之间的最小跳路径(SP)，

步骤2.束层(Bundle Layer)判断最小跳路径(SP)链路利用率，并将当前利用率记录更新，从列表中选取利用率较大的几条链路做为目标链路L，

步骤3.从源点向目标节点通过向各链路发送询问包，等待接收确认包，并记录各链路时延，更新表，

步骤4.根据各个链路的L_Delay和默认值Sat_Delay进行比较，若链路时延比默认值大，则说明本链路时延过大，则放弃本链路，

步骤5.如果最终没有一条链路时延小于默认时延，说明默认时延较低，即卫星网络利用率低，此次连接可以通过卫星传输，

步骤6.向卫星发送数据，同时记录最新默认时延，并将此数值更新，进行下一次目标选取，

步骤7.如果一个或多个链路时延小于默认时延，说明此类链路符合本方法要求的跳数小，利用率大，时延低的链路即为L_Ob，选取当前链路上交束层(Bundle Layer)，

步骤8.由束层(Bundle Layer)沿L_Ob链路发送数据，同时不断更新时延，每发送一个束(Bundle)后，测试L时延，重选时延小于当前值的链路发送下一组束(Bundle)，当每一条链路时延均高于默认时延，则停止本段数据传送。

有益效果：本方法基于路由算法设计，通过各路径比较运算，在最小跳路径中选择利用率最大路径进行时延判断，同时在链路传输时尽量平均分布在各条链路一次降低利用率和和链路瓶颈，提高了通信链路的吞吐率并实现了链路的最佳利用。

附图说明

图1是演示场景示意图。

图2是本发明的流程示意图。

具体实施方式

首先路由程序找到最小跳路径(SP)，设定参数i，从1到N_DTN进行循环，算法循环搜索网络拓扑个路径，最后选出源端到目的端的最小跳SP。

如果条件符合，路由程序会找到每条路径上的热点链接，做比较，避免拥塞的热点链接，选取C(P_S→D)最小的路径L。

从地面终端通过时延容忍网络(DTN)的端到端时延随每个包的变化而变化，其公式如下：

ΔT(P)＝T_IDLS+T_PROC+T_QUEUE+T_UP+T_DOWN

T_IDLS＝∑_i∈PL_IDL(i)/λ指通过每个区域网络的传播时延，L_IDL(i)是第i个网络路径的长度，λ是光速。

T_PROC＝∑_i∈P T_PROC(i)指通过所有路径的处理时延，T_PROC(i)是在第i个网络路径上的处理时延。

T_QUEUE＝∑_i∈P T_QUEUE(i)指通过所有路径的队列时延，T_QUEUE(i)是第i个网络路径上资源管理损耗的队列时延。

T_UP和T_DOWN指的是通过时延容忍网络(DTN)的上行链路和下行链路上的传播时延。

由源到目的端的IDSR算法公式如下：

min z

z＝C(P_S→D)

ΔT_end-to-end(P_S→D)＜Sat_Delay

随后将所选链路上传至束层(Bundle Layer)，由束层(Bundle Layer)根据链路平均分配通信量，降低高利用率链路的通信量。

最后将L_Delay与Sat_Delay判断，使其端到端时延应低于默认链路时延。

如果没有这样的路径L(SP上路径都拥塞)，或者路径延迟高于默认链路延迟，这些最小跳路径(SP)不符合内部链路(IDL)，路由算法将使用束层(BundleLayer)前向链路，并降低端到端默认时延限制Sat_Delay。

Claims (1)

1.一种应用于时延容忍网络的多层次有效路由方法，其特征在于该方法步骤如下：

步骤1.由路由发送自己所在拓扑序列，通过内部网关协议探索拓扑路径，由束层选取源节点和目的节点之间的最小跳路径SP，

步骤2.束层判断最小跳路径SP链路利用率，并将当前利用率记录更新，从列表中选取利用率较大的几条链路做为目标链路L，

步骤3.从源点向目标节点通过向各链路发送询问包，等待接收确认包，并记录各链路时延，更新表，

步骤4.根据各个链路的L_Delay和默认值Sat_Delay进行比较，若链路时延比默认值大，则说明本链路时延过大，则放弃本链路，

步骤5.如果最终没有一条链路时延小于默认时延，说明默认时延较低，即卫星网络利用率低，此次连接可以通过卫星传输，

步骤6.向卫星发送数据，同时记录最新默认时延，并将此数值更新，进行下一次目标选取，

步骤7.如果一个或多个链路时延小于默认时延，说明此类链路符合本方法要求的跳数小，利用率大，时延低的链路即为L_Ob，选取当前链路上交束层，

步骤8.由束层沿L_Ob链路发送数据，同时不断更新时延，每发送一个束后，测试L时延，重选时延小于当前值的链路发送下一组束，当每一条链路时延均高于默认时延，则停止本段数据传送。

Images