（信号与信息处理专业论文）应用于太空通信的ltp协议的研究.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 菲涉密论文旷 论文作者签名：耄塾忝f 孙日期：础女矽 导师签名：日 应用于太空通信的l t p 协议的研究摘要 应用于太空通信的l t p 协议的研究 摘要 延迟中断可容忍网络( d e l a y d i s r u p t i o n - t o l e r a n tn e t w o r k ，d t n ) 被认为是一种能 够有效应对太空或空间受限通信环境的技术。数据传输的非对称性是太空通信的主要 问题之一。目前，就如何应对太空通信的数据传输信道非对称性问题的d t n 研究还 甚少。本文基于太空通信环境中非对称信道的实验仿真，对d t nl i c k l i d e r t r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( l t p ) 进行了研究。 为了更真实的反映太空通信环境，有效地分析l t p 协议的性能，本研究先建立 一个能真正有效模拟太空通信环境的网络实验平台，并采用美国j e tp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ( j p l ) 开发的d t n 协议实现i n t e 叩l a n e t a r yo v e r l a yn e t w o r k ( i o n ) ，通过 在网络实验平台上进行真实的文件传输对d t nl t p 协议进行实验与分析。本文主要 对上层束协议( b u n d l ep r o t o c o l ，b p ) 的束( 数据单元) 汇聚到l t p 数据块的数量进行了 优化研究，旨在寻找应该汇聚多少束到数据块中才能在传输信道非对称的太空通信环 境中获得最好的有效吞吐量性能。针对传输信道非对称，本研究提出“非对称阈 ( c h a n n e lr a t i ot h r e s h o l d ) 来描述汇聚数据块的大小与确认包的大小以及信道传输率 之间的联动关系，这意味着在太空通信的非对称环境下为了避免确认信息的传输延 迟，这个关系必须被维持。此外，为研究哪种d t n 汇聚层适配器( c o n v e r g e n c el a y e r a d a p t e r , c l a ) 更适合于以长链路延时、高非对称传输率以及高误码率为主要特征的太 空通信环境，本文还对l t p 与t c p 的性能进行了实验比较分析。 关键字：网络实验平台，太空通信，d t n ，l t p ，束协议，非对称信道 作者：魏志国 指导老师：王汝海 侯嘉 a b s t r a c t a - s t u d yo nl i c k l i d e rt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( u r p ) f o rs p a c ec o m m u n i c a t i o n s a s t u d yo nl i c k l i d e r t r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( l t p ) f o rs p a c e c o m m u n i c a t i o n s a bs t r a c t d e l a y d i s r u p t i o nt o l e r a n tn e t w o r k i n g ( d t n ) i sc o n s i d e r e d as u i t a b l et e c h n o l o g yt o h a n d l ec h a l l e n g i n gc o m m u n i c a t i o n si ns p a c ee n v i r o n m e n t c h a n n e l - r a t ea s y m m e t r yi so n e o ft h em a i nc h a l l e n g e si n s p a c ec o m m u n i c a t i o n s l i t t l ew o r kh a sb e e nd o n ei n i n v e s t i g a t i n gh o wt oa c c o m m o d a t eh i g h l ya s y m m e t r i cc h a n n e l sf o ru s eo fd t n i ns p a c e i nt h i st h e s i s ，a s t u d yo fd t nl i c k l i d e r t r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( l 1 p ) i ns p a c e c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i z e db ya s y m m e t r i cc h a n n e l - r a t ei sp r e s e n t e d ap c - b a s e de x p e r i m e n t a lt e s t b e dw a sb u i l ti no r d e rt oc r e a t eam o r er e a l i s t i cs p a c e c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tf o rt h e p r o p o s e ds t u d y ad t ni m p l e m e n t a t i o nn a m e d i n t e r p l a n e t a r yo v e r l a yn e t w o r k ( i o n ) ，d e v e l o p e db yt h ej e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ( j p l ) i nu s ，w a sa d o p t e dt oc o n d u c tt h ef i l et r a n s f e re x p e r i m e n tf o rt h ep r o p o s e ds t u d y t h i s w o r kf o c u s e so na l li n v e s t i g a t i o no fa g g r e g a t i o no fm u l t i p l eb u n d l ep r o t o c o l ( b p ) b u n d l e s w i t h i nas i n g l el t pb l o c kf o rc h a n n e l - a s y m m e t r i cs p a c ec o m m u n i c a t i o n s t h ei n t e n ti st o f i n dt h en u m b e ro fb u n d l e st ob ea g g r e g a t e df o rt h eb e s tg o o d p u tp e r f o r m a n c e ac h a n n e l r a t i ot h r e s h o l di sd e r i v e dc o n s i d e r i n gt h el e n g t h so fa na g g r e g a t e dd a t ab l o c ka n da na c k p a c k e t ，a n dc h a n n e lr a t e s ，a n di tm u s tb em a i n t a i n e dt oa v o i dd e l a yo fa c k t r a n s m i s s i o no f d t nl t pd u et o s p a c ec h a n n e la s y m m e t r y i na d d i t i o n ，ap e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n b e t w e e nl t pa n dt c pi sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t ew h i c hd t n c l ai sm o r es u i t a b l ef o r c i s l u n a rc o m m u n i c a t i o n si np r e s e n c eo fal o n gl i n kd e l a y , h i g h l yc h a n n e l - r a t ea s y m m e t r y a n d h i g hc h a n n e lb e r k e y w o r d s ：n e t w o r k i n gt e s t b e d ，s p a c ec o m m u n i c a t i o n s ，d t n ，l 1 r p ，b u n d l ep r o t o c o l ( b p ) ，c h a n n e la s y m m e t r y w r i t t e nb y ：w e iz h i g u o s u p e r v i s e db y ：w a n gr u h a i h o uj i a 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究现状2 1 3 研究动机与意义。3 1 4 本文的贡献及内容概要4 第二章d t n 网络及相关协议5 2 1d t n 网络6 2 1 1d t n 网络特点6 2 1 2d t n 网络架构。6 2 2 束协议7 2 2 1 束协议的功能及存在的问题8 2 2 2 汇聚层9 2 3l t p 协议1 0 2 3 1l t p 数据块的传输与交互1 0 2 3 2l t p 汇聚策略1 2 2 4 本章小结1 3 第三章网络实验平台的设计和研究的网络通信结构1 4 3 1 网络实验平台的设计1 4 3 1 1 网络实验平台的网络构建1 5 3 1 2 网络实验平台的环境构建1 6 3 2 网络通信结构及环境配置1 8 3 2 1 研究的网络通信结构1 8 3 2 2 实验的环境配置2 0 3 3 本章小结2 l 第四章l t p 汇聚策略的实验结果与分析2 2 4 1 “o n eb u n d l e b l o c k ”v s “nb u n d l e s b l o c k ”2 2 4 2 最佳有效吞吐量性能的束汇聚优化2 3 4 3 1 在传输窗口较小情况下的研究2 4 4 3 1 1 对较小的与适中的数据块进行讨论2 5 4 3 1 2 对大的数据块进行讨论3 0 4 3 1 3 在损失信道下的讨论3 l 4 3 2 在传输窗口足够大情况下的研究3 3 4 3 本章小结3 5 第五章l t p 与t c p 的性能比较3 6 5 1l t pv st c p 的实验结果与分析3 7 5 1 1 在传输信道对称情况下进行讨论3 8 5 1 2 在传输信道非对称情况下进行讨论4 0 5 2 “非对称阈( c h a n n e lr a t i ot h r e s h o l d ) ”模型4 3 5 3 本章小结4 6 第六章总结与展望4 7 6 1 研究工作总结与主要创新点4 7 6 2 未来的研究工作4 8 参考文献4 9 攻读硕士学位期i 日j 已发表或录用的论文5 4 致谢5 5 应用于太窄通信的l t p 协议的研究 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 深空探测是人类在新世纪的三大航天活动之一，是人类在卫星应用和载人航天取 得重大成就的基础上向更广阔的太阳系空问进行的探索，集中体现了一个国家的科技 发展水平和综合国力。深空测控通信技术发展的目标之一是实现太阳系内任何时间、 任何地点的连续通信。深空航天器与地球的通信，与当前我们所熟知的中低轨道航天 器的通信链路有很大的不同，主要表现在路径损失和巨大的时延。深空探测领域的研 究者多数是基于通信原理解决路径损失问题，研究并采用了许多有效的方法。近年来， 采用联网结构解决深空通信问题，也越来越受到人们的关注，空间互联网作为未来深 空通信的基础，成为解决深空通信大时延问题的主要对策i l 盈。 考虑到地面互联网已取得显著的成功，美国宇航局( n a s a ) 喷气推进实验室( j p l ) 于1 9 9 8 年起开展“行星际互联网( i p n ) ”的项目研究【3 l ，主要研究在地球以外使用互 联网实现端到端通信的方案。2 0 0 4 年，n a s a 成立了空间通信体系结构工作组 ( s c a w g ) f 4 j ，对能够适应直到2 0 3 0 年的n a s a 空间探索和科学研究任务的空间通信 体系结构进行概念研究，将互联网结构列为其空问通信发展的远景战略；2 0 0 6 年， 我国提出建设天地一体化航天互联网的构想1 5 1 ，拟建成一个综合性的星间、星地及地 面互联互通网络。 异构互联是上述各类空间互联网体系结构的共同特征。如何设计一套能够集成多 种网络技术的协议体系框架，在考虑端到端链路中断和中问传输节点资源有限的情况 下，保证可靠的异步消息传输，是解决空间通信尤其是深空通信中空间互联网得到实 际应用的核心问题。 近年来，一种称为“延迟中断可容忍网络( d e l a y d i s r u p t i o nt o l e r a n tn e t w o r k ， d t n ) ”的新术语被提出，用来描述解决行星际互联网问题所需的体系结构1 6 j 。d t n 的基本设计目标是支持具有断续连接、大时延、高误码率等特征的异构网络的互联和 互操作。此概念一经提出，很快吸引了深空探测、海底网络、军事战术网络、传感器 网络以及其他受限网络邻域研究者的广泛参与。与地面网络口体系结构不同的是， 第一章绪论应用于太窄通信的l t p 协议的研究 d t n 并没有为各类网络环境提供统一的解决方案。针对深空环境研究d t n 应用，将 是空问通信技术邻域的重要研究课题。 1 2 研究现状 d t n 已经发展为具有体系结构、束协议( b u n d l ep r o t o c o l ，b p ) 以及不同汇聚层协议 的完整规范的实验协议族。当前的研究成果主要有：d t n 体系结构文档( r f c4 8 3 8 ) 1 7 1 ， d t n 的安全文档【8 1 ，束协议规范( r f c5 0 5 0 ) 1 9 j ，束协议安全规范( r f c6 2 5 7 ) 1 1 0 1 ，u p 协议动本j l ( r f c5 3 2 5 ) t 1 1 1 ，l t p 协议规范( r f c 5 3 2 6 ) t 1 2 1 ，l 1 1 p 协议安全扩展( r f c 5 3 2 7 ) t 1 3 】 等。 虽然d t n 的束协议可以针对不同网络的底层协议进行优化，但是束协议并不解决 具体网络环境中的问题。因此，需要研究底层尤其是传输协议来保证在深空环境中端 到端的可靠传输。针对不同环境，许多传输协议 1 4 - 1 6 1 相继被提出。如，a k y i l d i z 提出 的t p - p l a n e t 协议就是深空链路可靠数据传输的最早建议之一。在文献 1 7 中对这些 协议进行了详细评价和概括分类。 当前已有几种d t n 体系结构和束协议的实现，它们适用于不同的应用环境。 d t n r g 开发的d t n 2 1 1 8 1 是d t n 规范及其扩展建议的参考实现，是当前d t n 广泛研究 的基础。i b r - - d t n l l 9 1 是一种面向小型嵌入式设备的束协议实现，其提供了一种发现 机制和几种路由方案。j p l 丌发了一种专门用于行星际通信的束协议实现，称为行星 际覆盖网络( i n t e 印l a n e t a r ) ro v e r l a yn e t w o r k ，i o n ) 【2 0 1 。i o n 旨在解决行星际的通信限 制以保证延迟可容忍网络的可靠通信。 我国在国家自然科学基金等领域安排了移动d t n 的基础理论和关键技术研究等 课题，相关科研院所在节点运动模式识别机制2 1 1 、路由增强算法【2 2 1 、异步角度下的 路由决策问题| 2 3 】、基于选择复制的动态数据传输策略1 2 4 1 和链路中断的统计特性问题【2 5 】 等方面取得了一些进展。国内已有的研究主要集中在d t n 应用于移动无线传感器网 络、无线移动自组织网的路由算法等细节技术层面，没有提出系统的解决方案，尚无 具体的、可实现异构网络互联的可操作性规范，在航天领域尤其是在深空通信中的应 用研究仍是空白。 2 应用于太窄通信的l t p 协议的研究第一章绪论 1 3 研究动机与意义 就信道带宽而言，太空通信的信道是极其不对称的：上行带宽( 从地球到飞行器) 通常是远低于下行带宽( 从飞行器到地球) 【3 ，2 6 1 。在太空通信中，这种高非对称严重 影响了一些协议的性能，如t c p 协议。因为t c p 协议的平稳运行是依赖于来自上行 信道的确认信息能否即时回复。但是，目前就如何应对太空通信的数据传输信道非对 称性问题的d t n 研究还甚少。本文意在研究如何运用d t n 技术来有效克服太空通 信传输信道非对称性问题。 l t p 协议是d t n r g 开发的一种解决点到点环境中的长延时和中断问题的重要协 议，主要应用在深空射频链路或具有极长传输延迟以及频繁中断的链路上。在d t n 协议体系中，l t p 被设计为支持束协议的汇聚层协议。一个l t p 数据块( b l o c k ) 承载 一个束协议的束( b u n d l e ) 是l t p 协议作为束协议汇聚层的基本策略。在文章e 2 7 中，b u r l e i g h 建议可以汇聚多个束到一个l t p 数据块中来应对在太空通信中有限的确 认信道传输率。然而，在文章 2 8 中，b e z i r g i a n n i d i s 和t s a o u s s i d i s 认为束的汇聚 没有实际意义，他们建议采用默认的一个l t p 数据块承载一个束。可是，他们都没 有作任何模拟或文件传输实验来验证他们的看法。 本课题将针对如何解决太空通信传输信道非对称性问题，对d t nl t p 协议的汇 聚策略进行深入的研究。以往的大多数理论研究都是在一台电脑或机器上运行仿真软 件得到仿真数据，诸如，普遍使用的n s 2 12 9 1 和o p n e t i3 0 1 ，然而这毕竟与实际情形相 差甚远。为了更真实的模拟太空通信环境，有效地分析l t p 协议的性能，本研究先 建立一个能真j 下有效模拟太空通信环境的网络实验平台，以一台电脑作为专门的信道 仿真，一台电脑作为地面接收站，而另外两台电脑分别作为中继卫星和星球表面的数 据采集站，并采用美国j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ( j p l ) 丌发的d t n 协议实现i o n ， 通过在网络实验平台上进行真实的文件传输对l t p 协议进行实验与分析。本文主要 研究意义在于：分析多个束汇聚到一个数据块的方案比默认的一个数据块承载一个束 的方案在应对传输信道非对称方面哪个更有优势；如果是前者，那么在一个l t p 数 据块中应该汇聚多少个束，才能在太空通信环境中获得最佳的吞吐量。此外，针对非 对称性问题，本研究提出“非对称阈( c h a n n e lr a t i ot h r e s h o l d ) ”来描述汇聚数据块的 3 第一章绪论应用于太窄通信的l t p 协议的研究 大小与确认包的大小以及信道传输率之间的联动关系，这意味着在太空通信的非对称 环境下为了避免确认信息的传输延迟，这个关系必须被维持。 当前，许多国家( 如中国、日本、印度等) 正在进行或计划登月，本文的实验结 果、讨论以及发现对于月球任务的设计者和任务操作人员而言在选择网络协议和月地 通信架构方面是有意义的。同时，对于实现d t n 协议的设计者来说，它们也同样具 有参考价值。 1 4 本文的贡献及内容概要 针对信道非对称的太空通信环境，本文一方面主要对l t p 数据块的束汇聚的优 化方面进行了实验研究，目的是验证应该汇聚多少束到一个d t n 数据块中，才能在 高的传输信道非对称的太空通信环境中获得最佳的吞吐量；另一方面对l t p 与t c p 的性能进行了实验比较分析，目的是研究哪种d t n 汇聚层适配器更适合存在长链路 延时、高非对称传输率以及高误码率为主要特征的太空通信坏境。为此，我们在网络 实验平台上进行了真实的文件传输实验。 文章的主要贡献包括以下几个发现：1 ) 多个d t n 束汇聚到一个l t p 数据块比 默认的每个数据块承载一个束有更好的性能优势；2 ) 在具有长延时与高信道非对称 的太空通信环境中，应该汇聚多少数据爿能获得d t n 的最好传输性能；3 ) 如何避免 由于往返时延( r t t ) 随着数据块传输而增加所带来的d t n 网络的性能衰减；4 ) l t p 与t c p ，哪种d t n 汇聚层适配器更适合存在长延时、高非对称传输以及高误码率为 主要特征的太空通信环境；5 ) 针对非对称传输问题，提出了“非对称阈”理念。这 些发现同样可以应用到其它具在长延时和高非对称性的通信环境中。 本文其余章节安排如下：第二章介绍d t n 网络及在d t n 协议体系中两个重要的 协议，束协议( b p ) 和l t p 协议；第三章将详细介绍网络实验平台的设计与实现，并 给出本课题研究的网络通信结构以及实验环境配置；第四章将给出l t p 汇聚策略的实 验结果并进行分析讨论；第五章将对l t p 与t c p 的性能进行了实验比较分析，同时 提出一个“非对称阈( c h a n n e lr a t i o t h r e s h o l d ) ”模型：本文的总结及未来的工作将在 第六章给出。 4 心用于太窄通信的l t p 协议的研究第二章d t n 网络及相关协议 第二章d t n 网络及相关协议 本章将介绍d t n 网络的特点与架构以及由d t n 网络研究组( d t nr e s e a r c h g r o u p ，d t n r g ) 发展的两个重要的协议，束协议( b u n d l ep r o t o c o l ，b p ) 和l t p ( l i c k l i d e r t r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 协议。在本质上，束协议的处理方式很像我们今天的电子邮件 系统，但是其目的是纳入到其它应用程序中，而不是作为一种面向用户的终端应用。 l t p 协议是一种解决点到点环境中的长延时和中断问题的重要协议，主要应用在深空 射频链路或具有极长传输延迟以及频繁中断的链路上。 束协议被认为是一种覆盖网协议。如图2 1 所示，作为一种覆盖网协议，束协议 可以被运行在不同的底层协议，如现有的i n t e r n e t 协议和其它的更生僻的，诸如深空 通信、复杂传感器网络等挑战环境的协议之上。图2 - 1 中有2 种不同的传输协议和网 络协议( 分别用t 1 n 1 和t 2 n 2 表示) 。 应用层 束层 传输层 网络层 数据源 目的地 型l 竺岜! ! i 区域l区域2 t i n it 2 n 2 图2 - 1 跨区域的d t n 通信( 来源丁d t n s ：at u t o r i a l1 3 1 1 ，有改动) d t n 网络中的许多问题可以被束协议很好地解决，但是也有些其它问题，需要 底层协议来处理，如网络环境中的长延时或者间歇性连接。一些典型的例子，如深空 通信中地面接收站与飞行器之间的连接；在研究野生动物行为的斑马网络实验中无线 传感器节点之间的连接。显然，在这样通信环境中，需要一种能够容忍长延时和或 者链路中断的点到点协议，如l t p 协议。 5 第一二章d t n 网络及相关协议席用于太窄通信的l t p 协议的研究 2 1d t n 网络 2 1 1d t n 网络特点 d t n 网络并不基于现有对链路的假设，相反，d t n 网络的应用环境和网内节点 使得d t n 具有不同于传统t c p i p 网络的特点【6 ，3 2 】： 1 ) 白j 歇性连接。造成d t n 网络间歇性连接的原因很多，比如当前时刻没有连接 两个节点的端到端路径，节点为节约资源暂时关闭电源，运动导致超出通信范围，都 会造成连接的中断。网络中断可以有一定规律，如卫星网络：也可以是随机的，如传 感器网络。 2 ) 极长且可变的传输延时。例如在地球与火星距离最近的时候，光传输需要4 m i n 的时间，而如果两者距离最远的时候单向传播时间可达2 0 m i n t 3 3 ，3 4 1 。在i n t e r n e t 中， 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t c p i p 的应 用是无法实现的。 3 ) 非对称数据传输率。非对称的数据传输率意味着网络的上行速率和下行速率 存在差异。i n t e r n e t 可以容忍适度的非对称传输率，然而在d t n 网络中，数据传输的 双向速率经常是不对称的，在完成空间任务时，双向数据传输速率比可以达到1 0 0 0 ： 1 或者更高1 3 4 1 。 4 ) 高误码率。d t n 网络中，环境导致的低信噪比引起信道中信号的高误码率， 如一般的光通信系统中误码率达到1 0 。1 5 - - 1 0 - 1 2 ，而在深空通信中，误码率甚至可以达 到l o ，极大地影响接收端对传输信号的解码和恢复。 显然，现有的t c p i p 协议难以支持d t n 网络中的上层应用，需要丌发新型的网 络协议。 2 1 2d t n 网络架构 2 0 0 3 年，i n t e l 公司伯克利研究实验室的f a l l 提出一种覆盖架构，这种覆盖架构 可以运行在传输协议( 如t c p 、u d p ) 和传感网络的传输协议之上【6 】。其想法是将每 个网络划分为一个区域，可以通过d t n 网关将这些区域连接起来。例如，区域可以 6 应用于太窄通信的u 甲协议的研究第一二章d t n 网络及相关协议 是i n t e r n e t 、无线个人数字协助网、传感器网、军事战术网、智通高速路、行星的表 面或者是空间飞船等。同一区域的节点可以直接传输和接收数据；而在两个区域问， d t n 网关好比充当一座桥，正如图2 1 所示。因此，d t n 网关应该能识别这两个区 域。每个d t n 节点的命名由两部份组成，区域名和实体名。其中，每个区域的区域 名是唯一的，而实体名可以在不同区域重复。因此，当在d t n 网络中路由数据包时， d t n 网关可以使用区域名作为路由，仅仅在目的节点所在区域内需要使用实体名。 d t n 网络的路由选择不同于t c p i p 的i n t e r n e t 。在d t n 网络中，选择路径和调 度包传递是通过节点的一系列的接触( c o n t a c t ) 信息实现的。可以认为接触是发送数据 的一次机会，更确切地说，就是一条链路及其对应的时间间隔，在该时间间隔内链路 可用，这种路由策路被称为接触图路由。除此之外，依照不同的环境，还有其它路由 方案。如在研究动物行为的斑马网实验( z e b r a n e t ) 【”】中，采用了洪泛路由，每个节点 将所有数据传给与其相接触的节点。 在d t n 网络中，存储包括永久存储和非永久存储，路由节点具有两种存储能力 的一种或两种。其中，具有永久存储能力的路由节点可以支持托管传输。托管传输的 基本策略是路由节点保存收到的数据，同时向发送节点回复确认信息；当该路由节点 将数据传递给下一跳节点并且收到此节点接受托管的信息时，该路由节点将释放存储 数据的空间。覆盖架构的托管传输功能是d t n 网络的一个重要理念，在长延时和高 误码率的通信环境中，此方法保证了数据传输的可靠性。覆盖架构运行在不同区域的 传输层协议之上，应用于不同区域的传输层协议必然存在一定的差异，为了解决这个 问题，f a l l 等科学家提出通过在传输层协议上增加一层汇聚层，来巩固或增加底层传 输协议应对恶劣环境的能力。如果传输层协议是一种面向连接的传输协议，那么，当 连接丢失时汇聚层可以负责重启连接。本章在后面会对汇聚层做进一步的阐述。 2 2 束协议 d t n r g 提出的束协议( b u n d l ep r o t o c o l ，b p ) 体系就是一种覆盖网协议1 9 ，运行于 特定区域的不同种类的底层协议之上，该覆盖层称为“束层( b u n d l el a y e r ) 。在d t n 网络架构中，束协议负责束( b u n d l e ) 的存储和转发。束是束协议的服务数据单元，由 应用数据、控制信息和头部信息三部分组成。如图2 1 所示描述了一个跨区域的d t n 7 第- 二章d t n 嘲络及相关协议心用于太窄通信的l t p 协议的研究 通信实例，束协议位于传输层协议之上，束协议与特定区域的底层协议互相配合，使 得应用程序可以跨越多个区域进行通信。 目前，束协议主要在两个文档中被描述，d t n 架构文档7 1 介绍了般的覆盖架构， 同时，也介绍了主要的架构束语；束协议规范r f c 5 0 5 0 1 9 】详细介绍了束协议中的基本 束语、束的格式、束的处理过程以及管理记录过程等。此外，还有一些关于束协议的 安全扩展方面的文档0 1 。 2 2 1 束协议的功能及存在的问题 在d t n 架构中，数据源节点将数据传递给本地束层，然后本地束层负责把数据 传递到目的地节点的束层。束层先将数据封装成束，并且采用一定的路由算法计算下 一跳转发束的节点，然后将柬下发给合适的汇聚层，转发束到下一个节点。如果汇聚 层由于缺乏连接而不能发送束，束层将等待直至连接重新建立，再重新转发束。然而， 如果一个束在传输过程中，由于网络环境差而造成丢失，那么将由传输层协议和( 或 者) 束协议的可靠性来保证束被成功传输到下一跳。此外，如果束的目的地是本地的 应用终端，数据将重新组合后上传到应用程序。 托管传输是束协议的一项选择性功能，这也给束协议增加了一层可靠。i 生t g l 。使用 托管传输意味着配有永久存储设备的节点在有存储空间的条件下，存储接收到的束； 当节点愿意接收托管束时，将回复一个托管信息给上一节点；接下来，上一节点在收 到托管信息后，释放托管存储空间和( 或者) 重传缓冲区。由以上所述可以看出，负 责传递束到目的节点的可靠性在于束的托管节点和被托管节点。因此，如果在某一时 刻，束被丢失或损坏，数据发送节点不需要重传束，束的重传由托管束的节点或者被 托管节点负责。托管传输不仅确保束从发送源到达目的地，同时，也将束的传输职责 向目的地方向移交。然而，如果束没有被托管或者节点不支持托管传输，那么将由传 输协议来保证束的可靠传输。此外，束协议还具有以下功能：1 ) 可以处理间歇式的 连接；2 ) 可以利用预订、预测和机会连接；3 ) 利用覆盖网的终端标识符，形成网络 地址。 束协议是一个相对比较新的协议，因此，仍存在许多问题有待解决。w o o d 等研 究者列出一些当前的束协议有待解决的问题m 1 ：1 ) 时间同步问题，同步对于束协议而 8 心用于太窄通信的l t p 协议的研究第二章d t n 网络及相关协议 言是非常重要的，因为一个束可能被时间戳告知生命期已经结束，由于发送方与接收 方的时钟不同步；2 ) 命名方案不统一，目前在不同的束协议实现中，多种命名方案 被使用，每个命名方案都有各自命名终端的规则；3 ) 没有认可的路由协议，因为存 在多种命名方案。 2 2 2 汇聚层 与地面网络口体系结构不同的是，d t n 并没有为各类网络环境提供统一的解决 方案。因为每种d t n 网络都存在很大的差别，很难找到一种普遍的方案来解决所有 的问题。目前，束协议作为一种覆盖网方案，是研究d t n 架构的主流方案，受用于 各种受限网络。然而，就束协议本身而言，并不代表整个d t n 架构方案，因此，束 协议还需要一些汇聚层协议或者专为d t n 设计的传输层协议来协同工作i o j 。 汇聚层充当了束协议与传输层协议之间的接口，图2 - 3 描述了在i n t e r n e t 协议栈 中汇聚层的位置。由于束协议是一种应用于不同传输层协议上的覆盖协议，需要使用 相应的汇聚层适配器协同底层的网络协议才能实现束的发送和接收。汇聚层的主要作 用是辅助位于其下的传输层，目前支持束协议的汇聚层有基于t c p 协议的汇聚层( 如 t c p c l ) t 3 7 1 、l t p 协议【1 1 - 1 3 、s a r a t o g a 协议嗍等。 d t n a p p l i c a t i o n b u n d l ep r o t o c o l ( b p ) c o n v e r g e n c e 应用层 l a y e r ( t c p c l l t p u d p c lo rh y b r i d p r o t o c o lc o m b i n a t i o n ) 传输层 t c p o r u d p 网络层 i p 链路层p p p ，e t h e r n e t ，e t c 物理层 r f , o p t i c a l ，w i r e ，e t c 图2 - 3 在i n t e m e t 协议栈中汇聚层的位置( 此图来源文献 3 7 ，有改动) 如图2 3 所示，使用t c p 协议进行通信的d t n 网络中，该层可以通过增加一些 功能给传输协议，来增强传输层协议适应恶劣环境的能力。例如，当汇聚层对应一个 9 第一二章d t n 网络及相关协议应用十太窄通信的l t p 协议的研究 面向连接的传输协议时，汇聚层必须保持连接状态，如果由于任何原因而导致连接丢 失，汇聚层将负责重新建立连接。抑或传输协议没有提供拥塞控制，则汇聚层将增加 此功能到协议栈上。 2 3l t p 协议 l t p 协议可以处理点到点通信中的延迟和中断，尤其是长延迟链路问题，该协议 应用的典型例子就是解决太空飞船和地面站之间一跳式的深空通信问题。若一个飞行 器要隐藏在某个星球的后面时，该飞行器就不能再发送l t p 数据，并且在它从星球 阴影里重新出现之前也收不到先前所发送数据的应答消息，在隐于星球阴影的这段时 间里，飞行器可以暂时“冻结”所有的计时器，一旦脱离阴影，便立即再次启动。这 种“冻结 或者标记计时器的做法是l t p 协议的关键思想，该协议除了应用于深空 通信之外，还可以适用于地面具有类似特点的网络环境中，如传感器网络等。 在文献 1 1 中，b u r l e i g h 解释l t p 协议的设计目标和设计理念。其重要的设计 理念如下：1 ) 为了有效利用断断续续的链路带宽资源，l t p 协议引入了会话( s e s s i o n ) 概念。一次会话发送一个l t p 数据块( b l o c k ) ，并且l t p 协议可根据链路条件，尽可 能多的开启会话量，即这意味着多个数据块可以在链路上并行传输；2 ) l t p 重传未加 确认的数据，即l t p 接收方使用报告段( r e p o r ts e g m e n t ) 告知发送方哪些数据未收到； 3 ) l t p 协议不需要建立连接，因为在长延时和有限的通信条件的环境中，建立连接 会浪费宝贵的带宽资源；4 ) 与t c p 协议不同的是，l t p 的连接具有单向性，因此使 用l t p 协议通信的双方将必须开启两个单向连接。 2 3 1l t p 数据块的传输与交互 鉴于任务需要和传输能力的不同，l t p 协议提供了两种的传输服务，即可靠性传 输和不可靠性传输，并且这两种服务可能存在于同一个l t p 数据块( b l o c k ) q h t l 2 1 。如 图2 4 可见，描述了一个l t p 数据块的传输处理过程【3 7 1 。从2 4 图中可见，l t p 数据 块由两部分组成，红色数据部分( r ) 和绿色数据部分( g ) 。l t p 协议对红色数据部分执 行的是可靠传输，而对绿色数据部分实施的是不可靠传输。l t p 协议通过确认和重传 1 0 r e c e i v i n g l t pc l i e n t 第二章d t n 嘲络及相关协议应用f 太空通信的l 1 甲协议的研究 议的设计理念中，r s 和c p 都有时钟限制，如果超时还未收到确认，都需要重传。 发送方接收到r s 后，立即回复一个报告确认( r e p o r t a c k n o w l e d g m e n t ，r a ) 给接收方。 如图2 _ 4 所示，发送方发送第二个红色数据段作为一个c p ，来核实当前数据的 接收情况。收到c p 后，接收方回复一个r s 告知发送方前两个红色数据段都己收到。 紧接着，发送方回复一个r a 告知接收方刚才的r a 已收到。如图2 - 4 所示，第五个 红色数据段( 带有c p 和e o r p ( e n do f r e dp a r t ) ) 丢失了，并且第二个绿色数据段也丢 失了。接下来，在l t p 数据块的末尾( e n do f b l o c k ，e o b ) 被发送之后，重传了丢失红 色数据段，但是并没有重传丢失绿色数据段，因为红色数据部分需要被可靠的传输而 绿色数据部分则相反。 2 3 2l t p ；r - 聚策略 l t p 协议的确认策略是“一个a c k 对应一个u p 数据块 【嘲。为了应对i p n 链 路中存在高的非对称传输率，b u r l e i g h 提议采用一个l t p 数据块汇聚多个束的策略减 少确认传输量，而不是用每个数据块承载一个束的策吲2 7 1 。图2 - 5 展示了束协议的束 汇聚到l t p 数据块以及其后数据块分段的过程。从图2 _ 5 中可以清楚的看出，运用“一 个a c k 对应一个l t p 数据块”的策略将多个束汇聚到个l t p 数据块中进行传输， 这种汇聚机制有效地减少了a c k 的传输量，从而很好的改善了d t n 网络在高非对 称信道中的传输性能。 l t p 的会话( s e s s i o n ) 被定义为成功传输一个数据块而进行的数据段序列的传输交 互过程。在深空环境中，为了提高吞吐量和充分利用链路资源，l t p 被设计为可以同 时运行多个处于不同数据传输阶段的会话，这意味着在已有的会话结束之前就可以开 始新的会话。但为了可能出现的数据重传现象，l t p 协议要求每个数据块的数据必须 被保留，直到该数据块被成功接收。但是，发送l t p 进程的存储资源是有限的，因 此，这就限定了l t p 进程可以同时管理的会话数目。这个限定可以称为“最大会话 数( m a x i m u mn u m b e ro fs e s s i o n s ) 或者“n o s ”。同时，对于一次会话，可以汇聚