（信息与通信工程专业论文）传染性路由协议在星际网络中的应用与性能分析.pdf

摘要 星际网络( i n t e r p l a n e t a r yi n t e m e t ，i p n ) 是一种能够在跨星际距离的情况下进行有效 通信的新型通信网络，它为将来分布于整个太阳系的人类提供类似因特网的服务，具 有传输延时长、无中心、自组织、多跳、动态拓扑等区别于普通网络的特性，并且在 网络中存在间断连接。作为这样一种长延时的无线移动网络，路由协议是其重要的组 成部分，也是研究的热点问题。本文对传染性路由协议在具有中心节点的分层星际网 络下的性能进行了研究，主要是对传染性路由协议进行改进，并对具有中心节点的星 际网络进行分层架构，同时通过o p n e t 网络仿真软件进行性能仿真。 本文共分为五章。第一章概述，主要介绍星际网络的概念、特征、发展，在阐述 了星际网络关键问题的基础上，引出选题的方向和论文要实现的目标。 第二章主要是对网络的路由技术进行了介绍，提出星际网络的路由要求，并根据 星际网络间断连接的网络特点，对目前间断连接网络的路由解决方法进行了总结。 第三章是本文的重点内容，首先在理论上介绍了在星际网络中采用传染性路由协 议的具体原因，同时对传染性路由协议进行了适当的改进，接着提出了一种简易的中 心通信能力分群算法，结合h d 分群算法，对具有中心节点的星际网络进行分层架构， 并对最佳群首数以及为取得最佳群首数的多跳数值进行了计算，最后将改进了的传染 性路由协议应用于具有中心节点的分层星际网络。 第四章中，利用o p n e t 网络仿真工具，对传染性路由协议进行建模仿真，主要是 对节点模型和进程模型的建立和实现过程进行具体说明和介绍，同时对仿真结果进行 分析和比较。 在第五章中，进行了总结，得出本文的结论。 关键词：星际网络、路由协议、传染性、性能、仿真 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e r p l a n e t a r yi n t e r n e ti san e wt y p eo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt op r o v i d ee f f i c i e n t c o m m u n i c a t i o na c r o s si n t e r p l a n e t a r yd i s t a n c e s ，i tc a ng r o wt os u p p o r ti n t e r o e t - l i k es e r v i c e s w h e r eh u m a ni sw i d e l yd i s t r i b u t e da c r o s st h es o l a rs y s t e m 。a sai n t e r m i t t e n tc o n n e c t i v i t y 、 l o n gp r o p a g a t i o nd e l a y 、h i g he r r o rr a t e s 、s e l f - o r g a n i z e dw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k i n g ，r o u t i n g p r o t o c o l sa r ei t si m p o r t a n tp a r t sa n df o c u so fi n v e s t i g a t i o n 。t h ea i mo ft h i sa r t i c l ei sa n a l y z e t h ep e r f o r m a n c eo fe p i d e m i cr o u t i n gp r o t o c o lo p e r a t e di nh i e r a r c h i c a li p nw i t hc e n t e rn o d e u s i n gs i m u l a t i o no p n e t s o f t w a r e 。 t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sa r t i c l e 。c h a p t e r1 ，i n t r o d u c e st h ec o n c e p to fi p n ，a l s o p r o p e r t i e s 、c h a r a c t e r 、d e v e l o p m e n ta n da i mo ft h i sa r t i c l ei si l l u m i n a t e d 。c h a p t e r2 ，p r o p o s e d r o u t i n gd e m a n di ni p no nt h eb a s i so fr o u t i n gt e c h n o l o g ya r es u m m a r i z e d 。c o m b i n ew i t h t h ei n t e r m i t t e n tc o n n e c t i v i t yc h a r a c t e ro fi p n ，d e s c r i b e ds o m ek i n d so fr o u t i n gp r o t o c o l s c o u l da c t i o ni ni n t e r m i t t e n tc o n n e c t i v i t yn e t w o r k i n g 。 c h a p t e r3a c c o u n t e df o rt h er e a s o nf o ru s ee p i d e m i cr o u t i n gi ni p nf r o mt h e o r ya n d i n w o d u c e dt h ei m p r o v eo ft h i sp r o t o c o l s ，a n das i m p l ec l u s t e r i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d ， c o m b i n ew i t ht h eh d c l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，b u i l da c o n s t r u c to fh i e r a r c h i c a li p nw i t hc e n t e r n o d e s ，t h e ne p i d e m i cr o u t i n gp r o t o c o lo p e r a t e di nh i e r a r c h i c a li p nw i t hc e n t e rn o d e 。 c h a p t e r4a r et h es i m u l a t i o no fe p i d e m i cr o u t i n gp r o t o c o l s 。i n t r o d u c e dt h ep r o c e s so f m o d e l i n g 、r e a l i z a t i o ni nd e t a i lu s eo p n e tn e t w o r k i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n da n a l y z e dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s 。 a st h el a s tp a r to ft h i sa r t i c l e ，w ed r a wo u rc o n c l u s i o n 。 k e yw o r d s ：1 p n ，r o u t i n gp r o t o c o l ，e p i d e m i c ，p e r f o r m a n c e ，s i m u l a t i o n l i 浙江大学硕士学位论文 第一章星际网络概述 1 1 引言 随着科学技术的发展，人类探索空间的活动越来越频繁，越来越多的飞行器、探 测器将送往太空，进行各类科学考察活动，比如上世纪9 0 年代以_ 来，美国航空航天局 ( t h en a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ，n a s a ) 就把好几个探测器送到火 星表面，以寻找生命存在的证据，了解火星上的气候及探测火星的自然资源。在这些 耗资巨大的深空探测活动中，探测器与地球之间的通讯一直存在问题，那怕在一些较 为成功的探测行动中，其数据传输率也只有每秒钟3 0 0 比特左右，有时甚至是联络失 败，探测器消失于太空，即使是n a s a 也无法断定导致联络失败的原因。这些情况说 明，在跨星际距离的通信中，传统的点对点通讯手段由于星球自转和公转的问题，给 信号的发射与接收带来诸多困难，将无法满足人们进行空间科学考察活动的需要【1 】。 与此同时，为了更好了解地球环境的变化和地球系统各个部分之间的相互作用， 人们采用了利用飞行平台从空中观测地球的方法。以n a s a 的地球科学部门为代表， 计划在二十年内要达到以下的目标1 2 1 ： 精确的1 4 天内的天气预报 准确的短期和长期的环境监测 全球空气和水质量监控 自然灾害预测 自然资源的有效管理 要达到这样的目的，将有大量的飞行器、测量仪器部署在地球的各种空间轨道， 大量的探测数据将会传回地球。而在传统的点对点通信的情况下，基于地面的控制站， 这些数据信息的产生、分发、传送将成为难题，有必要对其通信系统模式进行新的研 究。 “已经到了将我们的思维延升到地球之外的时候了，我们必须将因特网连接到太 阳系的每一个角落”，t c p i p 协议的创建者之一文顿瑟夫说，“当我们向火星迈进的时 候，我们需要更为可靠，更为强大的通讯手段。因特网是最佳选择。”1 9 9 9 年，美国国 防部高等项目研究计划局( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ，d a r p a ) 作为 下一代网络的提倡者，开始资助n a s a 喷气实验室研究星际网络的技术结构，这个思 想结合了正在进行的空间通信标准化工作以及已经发展起来的比较成熟的地面因特网 技术，它通过发射卫星并在各个行星上设立网关，然后利用这些网关在太空中组建网 络。人们相信，星际网络能够缓解太空探险中数据传输的滞后现象，避免数据信号在 太空中传播时出现的衰减问题，从而在各个行星、航天探测器与地球基地之间建立可 浙江大学硕士学位论文 靠的通讯联系，使我们得到更为清晰，更为准确的各类数据，保证空间科学探测任务 的完成并为人类在遥远的将来向太空移民提供有力的通信支持，其战略意义十分重大。 1 2 网络的技术支持 星际网络的思想结合了正在进行的空间通信标准化工作以及已经发展起来的比较 成熟的地面因特网技术 3 11 4 1 【5 】： 地面因特网技术 空间通信标准化工作 星际网络 图1 - 1 星际网络的技术支持 一方面，自1 9 7 3 年瑟夫和卡恩首次提出了因特网的基本概念以后，因特网在短短 几年间就获得突飞猛进的发展，它是一个网络的网络( an e t w o r ko f n e t w o r k ) ，以t c p i p 网络协议将各种不同类型、不同规模、位于不同地理位置的物理网络联接成一个整体， 融合了现代通信技术和现代计算机技术，集各个部门、领域的各种信息资源为一体， 从而构成网上用户共享的信息资源网。特别是9 0 年代，随着商家和广大公众的介入， 使它发展成为一个连通1 7 0 多个国家和地区的、世界范围内规模最大的国际性计算机 网络。从物理层到应用层，因特网的发展提供了一系列成熟可行的网络通信协议、技 术、标准，比如t c p i p 协议，这些研究成果为星际网络的思想垫定了基础。特别是人 们对通信协议的不断修改、升级和完善，以及对无线移动a dh o c 网络、卫星网络等方 面的具体研究，都可被空间通信采纳或借鉴。 另一方面，随着各国航天机构在空间数据通信的需要，迫切要求一个统一的空问 数据通信标准，因此国际宇航界在1 9 8 2 年成立了空间数据系统咨询委员会( t h e c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ef o rs p a c ed a t as y s t e m s 。c c s d s ) ，它对空间的端到端系统进行分 析，开发出c c s d s 建议。这些建议涵盖了空间的数据处理和传输的各个方面形成了 空间通信的国际标准，并且，空间数据系统咨询委员会( c c s d s ) 与国际标准化组织( i s o ) 协同工作，c c s d s 的建议经i s o 标准化程序审议后成为i s o c c s d s 标准。经过2 0 多年的发展，目前已有3 4 个空间机构参与支持，并逐步建立了一套基本的空间通信标 准，被广泛地应用于空间通信，世界上已有2 5 6 个空间科学探测任务采用了c c s d s 的 2 浙江大学硕士学位论文 标准。这些协议标准可用层次模型来表示，可以看出其协议层次模型采用了因特网协 议模型，使整个空间通信标准呈现一种开放式结构。 1 3 网络结构 1 3 1 节点的物理组成 空间应用标准 空间文件传输标准 空间端对端可靠性标准 空间端对端安全性标准 空间网络标准 空间链路标准 空间信道编码标准 空间无线频率调制标准 图1 - 2 空间通信标准层次模型 在星际网络中，节点主要是深空飞行器和各种探测设备，采用的是功率受限的移 动通信设备，其c p u 计算能力、存储容量、能源供应有限制，无线频率资源分配受到 约束。每一个节点通常包括数据采集、数据处理、无线通信和电源、飞行控制五大基 本组成部分( 图1 3 ) ，根据应用的不同还可能包含特殊的子系统，如太阳能收集设备。 鼍- 、峄审 = h | 孟 蜊 l l l l i j , i i i u1 - 一佛摹麓 - 1 # m t 甜l iiii l l i j t * j jl q 9 l 撇i ll 陌叶峒 图1 - 3 星际网络节点的物理结构 3 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 网络的体系结构 星际网络又可称为星际因特网，它是种基于网络的网络，如同因特网以t c p i p 网络协议将各种不同类型、不同规模、位于不同地理位置的物理网络联接成个整体 一样，星际网络利用星际骨干网络将各个星际区域网连接起来，其中也包含了现在我 们地球上的i n t e m e t 刚。在星际网络骨干网中，节点根据设定的运行轨道，散布在空间 中，它既可以是主机，同时也可以是路由器，具有存储转发功能。类似于移动a d h o c 网络，节点之间可以以自组织、自架构形式组成星云。各个行星之间，则通过骨干星 云的多跳中继转发进行有效的数据通信。如图1 4 ，地球上的某一地面站n i ，先将信 息包发送到星云a ，星云a 通过云间链路转发信息包到b ，b 再通过骨干网络的星间 链路转发信息包到火星区域网的星云c ，c 传送信息包到火星地面站n 21 6 1 。 1 4 网络的现状、发展 扼e 域阿 圈1 - 4 星际网络的体系结构 篷 星际网络如果能够实现，将不但能够缓解深空中的数据传输现象，还能避免数据 信号在深空中传播时经常出现的衰减，使得太空中的飞行器就如同是网络中的一个节 信号在深空中传播时经常出现的衰减，使得太空中的飞行器就如同是网络中的一个节 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 网络的体系结构 星际网络又可称为星际因特网，它是一种基于网络的网络，如同因特网以t c p i p 网络协议将各种不同类型、不同规模、位于不同地理位置的物理网络联接成一个整体 一样，星际网络利用星际骨干网络将各个星际区域网连接起来，其中也包含了现在我 们地球上的i n t e m e t 网。在星际网络骨干网中，节点根据设定的运行轨道，散布在空间 中，它既可以是主机，同时也可以是路由器，具有存储转发功能。类似于移动a d h o e 网络，节点之间可以以自组织、自架构形式组成星云。各个行星之间，则通过骨干星 云的多跳中继转发进行有效的数据通信。如图1 - 4 ，地球上的某一地面站n 1 ，先将信 息包发送到星云a ，星云a 通过云间链路转发信息包到b ，b 再通过骨干网络的星间 链路转发信息包到火星区域网的星云c ，c 传送信息包到火星地面站n 2 【6 】。 1 4 网络的现状、发展 火星区域阿 图1 - 4 星际网络的体系结构 金星区域厨 圆 星际网络如果能够实现，将不但能够缓解深空中的数据传输现象，还能避免数据 信号在深空中传播时经常出现的衰减，使得太空中的飞行器就如同是网络中的一个节 4 浙江大学硕士学位论文 点一样容易控制，因此对于星际网络的研究，吸引了越来越多的研究人员的关注。但 由于星际网络耗资巨大、构建时间长、框架实现不容易，目前还基本上处于一种理论 分析阶段，国际上的研究成果也不是很多，研究的出发点主要是制定一套与因特网对 等的适应空间通信需求的协议标准，既要适应空间通信这一特殊环境的特点，又要考 虑尽量与因特网协议的兼容和互操作，所以采取的策略是以因特网的协议为基础根据 空间环境进行修改。 对于星际网络的研究支持已经由d a r p a 转到了n a s a ，一些t c p i p 协议的原设 计者也参加了此项工作，针对星际网络开展的项目主要都集中在美国。国际上在星际 网络方面研究较为活跃的其它研究机构还有i r t f 的d t n r g ( d e l a y - t o l e r a n t n e t w o r k i n gr e s e a r c hg r o u p ) 、i p n s i g ( i n t e r p l a n e t a r yi n t e r n e ts p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 和 洛杉矶大学的研究机构等。 值得一提的是n a s a 的火星探测计划，可以认为是人类实现星际网络的第一步。 火星是2 1 世纪人类太空控险的第一个目标，这个星际从远古时代就引发了人类无穷的 好奇心。为了实现这一目标，人类必须将一些小型卫星送到距离火星表面1 7 0 0 0 公里 高度的轨道上，并将另一些更大型的卫星送入较低的轨道，这些大型卫星能够即时接 收到火星探测器发出的信号，而每个小型卫星都是一个网关，它们组成的网络构成了 火星的局域网。接下来，人类将在火星和地球之间建立联系，连接这两个局域网的是 一系列地球与火星之间的通信转发卫星。星际网络可以使从火星上传回的数据流量达 到每秒钟l l k b ，虽然与目前地球上家用电脑的上网速度还无法相比，它足以使我们得到 更为清晰，更为详细的火星图像，一旦在火星与地球之间建立了星际连接，火星探测 器就能够发回高清晰度的科研和商用图片，人们可以利用这些数据在网上进行虚拟火 星探测，任何人都可以通过因特网及时地看到火星上的情况【7 】。 星际网络结构概念可以简单地描述为： 人类发射一些小型的卫星到地球或者其它行星的空间轨道，根据其延时低、噪音小 的特点，运用相关的因特网协议，共同组成各个星球的局域网。 建立一个“空间骨干网”，采用无线链路或者激光通信的方法，连接各个星球的局 域网，这其中也包括多个空间数据转发卫星。 由于星际网络包含了多个星球的局域网，如同t c p i p 协议把多个局域网连接成因 特网一样，我们采用一种新的覆盖协议，基于多跳存贮转发技术来完成信息传输， 把各个星际局域网联系起来。 星际网络的发展，把各个星际局域网连接起来，完成了网络的融合、统一，使未 来空间通信将与地面通信融为一体，将实现太阳系内任意两点之间的端到端通信，让 人们可以通过因特网参与空间探索，并为人类在遥远的将来向太空移民提供有力的通 信支持，其战略意义十分重大【8 】【9 】。 浙江大学硕士学位论文 1 5 网络特征与关键问题 1 5 1 网络特征 由于星际网络是一种实现跨星际距离的无线通信覆盖网络，因此它具有以下一些类 似于无线移动a dh o c 网络的特征： ( 1 ) 多跳性 由于星际空间的巨大，并且无线通信距离受限，星际网内节点间的通信往往需要 借助其它节点中继转发才能实现，这样就形成了多跳通信路径。 ( 2 ) 动态拓扑 星际骨于网内的飞行器是高速移动的，比如宇宙飞船在脱离地球时的速度高达7 8 公里每秒，并且许多飞行器、探测器的移动不是按照固定轨道的，而是根据控制人员 的指令或者随机的，节点的移动再加上发射功率的变化和无线信道的干扰大小频繁变 化等因素，导致节点问通过无线通信形成的拓扑结构可能随时发生变化，而且变化的 方式和速度都是难以预测的， ( 3 ) 分布式控制 为了实现网内成员的通信，就要解决无线资源控制、路由发现等控制问题，在没 有预设基础设施与中心控制节点的情况下，集中式控制是不可能的，只能通过分布式 控制来实现。 ( 4 ) 对等性 网内节点之间可以直接互通，不必要通过基站才能实现，一般每个节点的地位相 同，无主从之分，都能够实现逻辑上的收发。 ( 5 ) 临时性 当几个飞行器临时聚集到一起时，它们就会临时性地组成一个无线通信网络，无 须预先的规划，无须预先的基础设施，这种临时性包括：网络成员的临时性，网络组 织的临时性，网络拓扑的临时性，网络路由的临时性，网络无线资源分配采用按需临 时分配等。 ( 6 ) 自组织性 为了方便空间科学考察及信息数据的及时传输，星际网络不依赖于基站等基础设旌 支持，可以在任何时刻、任何地点构成网络，网络路由的计算、网络临时结构的形成 不需要外部参与，都可以根据当时的情况自我组织，并随环境变化自适应地自我调整。 ( 7 ) 链路带宽受限 由于采用无线传输技术为基本手段，与有线传输相比，具有较低的传输带宽，再 6 浙江大学硕士学位论文 加上干扰比较大，无线链路衰减大，易受太阳风暴的影响，因此数据传输速率比较低 ( 一般仅为8 - 2 5 6 k b s ) 。目前正在研究的飞行器之间的激光通信，可有效减轻这个问 题。 ( 9 ) 能量受限 飞行器一般都是依靠太阳能电池提供能量，因此节省功率也是一个需要重视的问 题。 ( 1 0 ) 安全受限 如果人类想把宇航员送上太空，可靠的通信将是航天任务最重要的保障之一，此 外，星际网络将是人类在其它星球上的移民与地球之间进行联系的主要手段，对他们 的生存意义重大，为此，安全问题十分重要。但是由于采用分布式控制、无中心，临 时组织等原因，它比一般的网络更容易受到太空黑客的安全方面的威胁。 除了上述类似于无线移动a dh o e 网络的特征外，星际网络还具有以下架构方面的 特征： ( 1 1 ) 建立网络结构耗时大：在构建星际网络的过程中，建立网络结构是耗时最大的 一项工作了，比如火星探测器要花将近一年的时间才能够在火星表面着陆，各个星际 的网关、节点的设置，无一不是需要大量的时间才能够到达它们的位置。 ( 1 2 ) 建立网络结构耗资大：星际网络的构建是耗资巨大的工程，一个飞行器、探测 器的设计、发射需要成千上万的资金投入，因此，星际网络的实现将是一个长期的过 程。 此外，星际网络区别于其它现有网络的最重要的特征是： ( 1 3 ) 传输延时长。 由于各个星际之间距离遥远，那怕是与地球最近的火星进行无线通信，其一个来 回也需要8 分钟，信息传输时延的数量级将是以分钟、小时甚至天来计算，而不是普通 网络中的毫秒。下表列出了一些从地球到其它目的地的无线传输时延。若采用a r p 自 动重传技术，则要可靠传输任意比特的数据都会耗费很长的时间。 从地球地球另l e o 卫星 同步卫月球火星木星 传输一师轨道星轨道 传输延时 4 2 08 1 2 01 3 0 0 3 4 0 。0 0 03 0 0 0 ，0 0 0 ( m s ) 表1 - 1 从地球到其它目的地的无线传输时延 浙江大学硕士学位论文 ( 1 4 ) 连接的间断性：由于空间巨大、无线通信距离受限，再加上飞行器的轨道特性， 以及星际的自转和公转，星际网络节点之间的连接不是一直保持不变的，而是经常间 断的，比如有些飞行器，天之内只能有2 个小时能够联系得到甚至一周之内只有8 个小时。 1 5 ，2 关键问题 星际网络连接间断、传输延时长的特征给网络通信提出了新挑战，现有的t c p i p 通信协议是不可能实现其可靠通信的，我们需要结合星际网络的特点寻找一些新的解 决方法。下面我们就其中需要解决的关键问题进行归纳总结【l o 【1 1 】。 l 、b u n d l i n g 协议 基于可延时网络的特点，i r t f 的d t n r g 提出了b u n d l i n g 协议的架构，作为现在 的t c p i p 的替换，它采用多跳存储转发的信息交换技术，提供类似于电子邮件的服务， 确保可延时网络的有效通信，s b u r l e i g h 、k s c o r 等人已经做出关于它的具体说明。 b u n d l i n g 协议是构建星际网络的关键，基于b u n d l i n g 协议的星际网络节点的层次模型 如图1 5 所示： e n d t o - e n da p p l i c a t i o n s ( egb u n d l ef t pc f d pb u n d l en t p ) b u n d l e a p i r o u t i n gc u s t o d yt f a l l s f e r 。船。 b n n d l e a u t h c u f i e a f i o n e n e r y p t i o n t b 0s e r v i c e s ( 印e c 面c8 d a p e 抛t h a t m a p c b o u n n v e l c r 5 9 e t o n c e n l d e a d y e y r i “gt r a l s s t o n s e j c e 曲 t c p l i e k l i d e rt r a n s m i s s i o np r o t o e o i ( l t p ) c c s d sl o n g - h a u lc c s d s s o n e t l i n kp r o x i r a l t vl i n k 图1 - 5 基于b l l i l d l i n g 协议的星际网络的层次模型 b u n d l i n g 协议主要功能包括：保管传送( c u s t o d yt r a n s f e r ) 、处理间断连接的能力、 利用计划或者随机接触的能力、捆绑命名与编址等，协议的实现主要建立在c f d p 的 基础上。 c f d p ( c c s d sf i l ed e l i v e r yp r o t o c 0 1 ) 是建立在c c s d s 一系列空间通信标准基上的 一种文件传输标准，包括n a s a 、e s a 等多个机构都已经采用，用来实现深空飞行器 r 浙江大学硕士学位论文 与地面之间自动、可靠的通信，并能够借助于文件传输与管理而实现飞行器的操作。 它是根据b u n d l i n g 协议的原形设计的，但b u n d l i n g 协议与目前的c f d p 相比，还有一 些不同之处： b u n d l i n g 协议不仅支持直接连接的点对点文件传输，也支持不直接连接的多跳转发 文件传输 b u n d l i n g 协议不仅能够支持文件传输，也能够处理几乎所有的端对端的空间任务。 b u n d l i n g 协议内部功能要比c f d p 更容易标准化，更容易随时间发展而完善。 b u n d l i n g 协议与现有c f d p 中实现的相比，能够提供一个更可行的保管文件传输模 式。 要完全实现b u n d l i n g 协议的功能，就从以上几个主要方面提高c f d p 的性能，只 有在b u n d l i n g 协议功能完全实现之后，星际网络的构建才有可能完成。 2 、编址 在一个通信网络中，要能够实现有效的网络通信，每个节点必须具有唯一地址， 如在t c p i p 的四层通信模型中，每一层中的对等实体为了标识自己，都需要拥有一个 唯一的名字，在模型的底层，使用网络适配器的物理地址( m a c 地址) 标识处于同一 个网段的不同主机，在网络互连层，使用i p 地址来标识整个网络中不同的主机，在传 输层，使用端口号来标识运行在某台主机上的不同网络应用程序，在应用层，使用易 于辨别、易于记忆的主机地址来标识整个因特网中的不同主机。由于星际网络：节点 是动态的，移动速度很快：网络的聚合、重分频繁；节点数目巨大，因此目前i n t e m e t 使用的层次分配地址、d h c p 等方法并不能适应星际网络的需要，此外，i p v 4 编址方 式数量有限，所提供的地址将远远不能满足将来的需要。 3 、安全 星际网络面临的安全威胁有它自身的特殊性，包括结构的安全以及数据传送的安 全：无线通信的广播本质使其更易受到窃听、假冒、篡改等攻击；飞行器节点漫游中 可能被俘获，使星际网络面l 笛来自内部节点的攻击；网络拓扑结构、节点数不断变化， 节点信任关系也随之变化：网络决策和算法执行需要多节点协作，这种协作易遭破坏。 根据攻击目标的不同，有针对自组织网络路由协议等基本机制的攻击和针对密钥 管理等安全方面的攻击；根据攻击方式的不同，有窃听等被动攻击和篡改、重放等主 动攻击；根据攻击来源的不同，有外部攻击和内部攻击。 从安全性角度看，与传统网络相比，星际网络本身具有许多系统的脆弱性，容易 遭受未来太空黑客的攻击，同时由于网络的重要性，因此所要求的安全更加严格，其 安全需求包括机密性、完整性、有效性、身份认证和不可否认性等等。 传统的安全机制不再适用于星际网络：由于缺乏足够的物理保护、没有中心节点、 节点计算能力低，使得传统的加密和认证机制无法实现；由于拓扑结构、成员数量、 9 浙江大学硕士学位论文 信任关系、网络中产生和传输的数据都是动态的，传统的基于数据库、文件系统等静 态配置的网络安全方案不再适用；由于网络边界模糊，传统的防火墙无从部署。这些 使得星际网络的安全认证成为一个非常困难的任务。 4 、网络管理 为了维护网络运行的稳定性、可靠性，网络管理就应运而生。目前的网络管理不 再局限于保证文件的传输，而是保障连接网络的网络对象( 路由器、交换机、线路等) 的正常运转，同时监测网络的运行性能，优化网络的拓扑结构。在实际网络管理过程 中，网络管理应具有的功能非常广泛，包括了很多方面。o s i 网络管理标准中定义了 网络管理的5 大功能：配置管理、性能管理、故障管理、安全管理和计费管理，这5 大功能是网络管理最基本的功能。事实上，网络管理还应该包括其他一些功能，比如 网络规划、网络操作人员的管理等。 在星际网络中，由于潜在的空间无线连接损耗的存在，以及节点动态的情况下， 管理者与被管理节点是不能够保持连续联系的，如管理者需要在很长的时间内才能够 知道火星上的一台路由器发生故障。因此，s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n t p r o t o c o l l 9 8 8 ) 和c m o t ( c m i p c m i so v e rt c p i p l 9 8 9 ) 等网络管理协议是不能够满 足需要的，我们需要研究新的基于移动代理、自组织自适应的管理方法。 5 、路由 星际网络属于多跳网络，每个节点既是主机，也是路由器，当发送信息节点( 源 节点) 与接收信息节点( 目的节点) 不能直接通信时，就需要其它一些节点通过存诸 转发帮助其完成通信，这样也就构成了多跳网。从源节点依次经过多个中继节点到达 目的节点就形成了一条通信路径。如何寻找一条合适的路由就是路由发现问题( 也称 路由计算) ，如何自适应地调整路由就是路由维护问题。路由计算和路由维护的方法合 起来就是路由协议，它在o s i 协议中属于网络层。 路由协议的好坏直接影响了通信业务q o s 的各项指示，影响了通信系统资源使用 的有效性，它是星际网络中最重要的问题之一。由节点的移动性等引起的网络拓扑的 动态变化以及分布式控制机制使路由计算与维护成为星际网络中个困难的问题。 星际网络的路由协议的主要目标是：要求计算出的路由具有良好的性质，例如跳 数少、链路稳定可靠，传输对延小；要求路由协议能够快速地适应网络拓扑的变化； 要求路由计算与维护引入的控制开销小。 目前的i n t e r n e t 是基于t c p i p 协议、采用a r q 技术的端对端通信，它采用层次结 构，能够保证路由器选择一条最佳的路径进行信息包交换。而在星际网络传输延迟大、 链路连接经常中断的情况下，b g p ( b o r d e rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 就会出错，或者正常的 i p 路由计算难以完成，或者产生错误的路由选择。另外，移动a d h o e 网络中的多跳 路由协议，如a o d v ( a d - h o cd e m a n dd i s t a n c ev e c t o r ) 和t o r a ( t e m p o r a l l yo r d e r e d 1 0 浙江大学硕士学丘论文 r o u t i n ga l g o r i t h m ) 等，由于星际网络中的节点的移动速度更快、节点更加松散、网络 的聚合与重分频繁等原因，造成路由开销巨大，也不能够适应星际网络的需要。 1 6 本文的主要工作 星际网络的特性使得其在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的移动 a dh o e 网络有着显著的区别，需要解决的问题特别多，其中，路由协议是该网络最重 要的组成部分之一，也是研究的重点问题。 本文的工作，主要是对传染性路由协议在星际网络中的运用进行了分析。针对星 际网络的实际特点，首先对传染性路由协议进行了适当的改进，然后分别对协议运行 于平面、层次结构的星际网络环境下的性能进行分析，最后利用o p n e t 给出仿真模型， 在比较各种结果的同时，作一定的分析与说明。 浙江大学硕士学位论文 第二章星际网络路由技术研究 2 1 路由技术引论 2 1 1 路由技术的构成 路由协议从功能上讲是通信网络中的一套将业务数据从源节点指引到目的节点 的机制。通常所说的路由技术其实是由两项最基本的活动组成，即最优路径的决定和 信息单元( 也被称为数据包) 的传送【5 0 】。 ( 1 ) 路由确定 为了确定数据传输的路径，路由算法建立和维护路由表。路由表中包含了各种路 由信息。路由信息根据所使用的路由算法的不同而异。 路由算法在路由表中写入各种不同的信息，路由器会根据数据包所要到达的目的 地选择最佳路径把数据包发送到可以到达该目的地的下一台路由器处。当下一台路由 器接收到该数据包时，也会查看其目标地址，并使用合适的路径继续传送给后面的路 由器。依次类推，直至数据包到达最终目的地。 ( 2 ) 数据包交换 交换算法相对简单，而且绝大多数的路由协议都可以使用相同的交换技术。当数 据包的发送方通过一定的方式获取到路由器的地址之后，就会把数据包以该路由器的 物理地址( m a c 地址) 发送出去，同时使用网络层地址标识数据包的最终目的地。 当路由器接收到数据包后将查看标明其目的地的协议地址，并决定是否按照该地 址将数据包转发到下一台路由器。如果路由器不知道如何把数据包转发到其目的地的 话，一般会丢弃该数据包。如果路由器知道数据包的转发路径，则会将其中的物理地 址改为下一台路由器的地址，然后将其发送出去。以此类推，直到数据包到达最终的 目的地。在整个过程中，数据包的物理地址会随着移动过程中所经过的不同的路由器 而变化，但是代表目的地的协议地址一直保持不变。 2 1 2 路由算法的关键因素 路由算法主要由几个关键因素决定：首先，算法的设计意图对路由协议的实际运作 具有很大的影响；其次，目前存在许多不同类型的路由算法，每一种算法对网络和路 由器资源都有不同的要求和影响；最后，路由算法使用不同的度量标准，从而使最优 路径的计算结果不同。通常，一种路由算法可以体现出以下几方面的设计意图： 嘬优性 简单，低开销 1 2 浙江大学硕士学位论文 健壮，稳定 一陕速聚敛 适用性强 ( 1 ) 最优性 最优性是指路由算法选择最佳路径的能力，这主要取决于计算最佳路径所使用的度 量标准。举例来说，一种路由算法可以同时采用数据包经过路由器的跳数和时延作为 度量标准，而其中又以时延为主要标准。每一种路由协议都必须严格定义度量值的计 算方法。 ( 2 ) 简单，低开销 路由协议的设计应当尽可能的简单。换句话说，路由算法必须能够以最有效的方式 发挥其功能，最大程度的降低软件和使用开销。尤其是当实现路由算法的软件只能在 资源有限的机器上运行时，有效性就变得更为重要。 ( 3 ) 健壮，稳定 路由算法必须具有良好的健壮性，能够在出现异常或突发事件( 例如硬件损坏，负 载过高以及执行错误等) 时正常运行。因为路由器往往是网络的连接节点，所以如果 出现问题将会带来非常严重的后果。因此，最好的路由算法应当能够经受时间的考验， 在不同的网络条件下都能够保持稳定的运行状态。 ( 4 ) 快速聚敛 路由算法还应当能够快速聚敛。所谓聚敛就是指所有路由器就最优路径重新达成一 致的过程。当因为某种原因使路由器出现问题而无法继续正常使用时，路由器会发出 路由更新信息传遍整个网络，重新计算最优路径，并最终使所有路由器就新路径达成 一致。聚敛速度慢的路由算法可能会导致路由回路的出现。 ( 5 ) 适用性强 路由算法还应当具有非常好的适应性，能够快速准确地适应不同的网络环境。例如， 假设某一个网段出现问题，许多路由协议都可以快速的选择新的最佳路径替代已经无 法使用的原有路径。路由算法应当能够通过编程，适应网络带宽，网络时延等参数变 量的变化。 2 1 3 路由算法的度量标准 路由算法使用很多不同的度量标准来确定最佳路径【5 l 】。一些复杂的路由算法更 是可以把几个独立的度量标准综合起来，做出更为全面和准确的路由决定。以下是最 浙江大学硕士学位论文 为常用的路由度量标准： 路径长度 可靠性 时延 带宽 负载 通讯成本 ( 1 ) 路径长度 路径长度是最为常用的一种路由度量标准。有些路由协议可以允许网络管理人员为 每一条网络连接指定路由成本。在这种情况下，路径长度就是所有有关连接的路由成 本的总和。其它一些路由协议还可以定义跳数，即数据包从源地址到目的地所必须经 过的网络互连设备( 如路由器等) 的个数。 ( 2 ) 可靠性 在路由算法的范畴内，可靠性主要是指每一条网络连接的可使用性( 通常使用误码 率表示) 。一些网络连接可能比其它连接更容易出现问题。在网络故障修复之后，有些 网络连接可能比其它连接的恢复速度更快或更方便。网络管理人员可以把任何可靠性 因素考虑在内，并据此为每一条网络连接指定相应的可靠值。 ( 3 ) 时延 路由时延是指通过网络把数据包从源地址移动到目的地所需要的时间总和。有许多 因素可以造成路由时延，其中包括网络连接的带宽，每一台途经路由器的负载，网络 拥挤状况以及数据包所需要经过的物理距离等。因为路由时延是多项重要变量的综合 反映，所以被普遍的采用。 ( 4 ) 带宽 带宽是指一条网络连接所能提供的流量吞吐能力。很明显，1 0 一m b p s 以太网的带 宽要大大高出6 4 一k b p s 专线的带宽。虽然带宽反映了一条网络连接所能够提供的最大速 率，但是有时使用宽带连接的路由并不一定是最优路径。例如，如果一条高速连接非 常繁忙，那么实际等待发送数据包的时间可能会更长。 ( 5 ) 负载 负载是指像路由器这样的网络资源和设备的繁忙程度。我们可以通过多种方式计 算负载，例如c p u 的使用率以及每秒钟可以处理的数据包的数目等。对路由负载进行 长期的持续监控可以更加有效的管理和配置网络资源。 ( 6 ) 通讯成本 1 4 浙江大学硕士学位论文 通讯成本是另外一种非常重要的路由度量标准，尤其是对那些相对于网络性能更 加关注运行成本的企业来说，其重要性就更加明显。举例来说，有时企业会为了节省 公用线路的使用成本而改用延迟更大的私人线路，这就是通讯成本的具体体现。 2 1 4 路由算法的分类 按以下的分类标准，路由算法可以被划分成许多不同的类型 5 2 1 ： 静态与动态 单路径与多路径 单层结构与分层结构 - 主机智能与路由器智能 域间与域内 链路状态与距离向量 有线网络与无线网络 ( 1 ) 静态与动态 静态路由系统无法对网络变化做出响应，所以对今天的大型、动态网络来说并不 适用。目前所使用的绝大多数的主流路由算法都是动态路由算法，可以通过分析接收 到的路由更新信息针对变化的网络环境做出相应的调整。如果网络发生变化，路由软 件就会重新计算新路由，并将新的路由更新信息发送出去。更新信息可以传遍整个网 络，所有接收到该信息的路由器都会重新执行各自的路由算法，对路由表做出相应的 修改。 静态路由表在开始选择路由之前就被网络管理员建立，并且只能由网络管理员更 改，所以只适于网络传输状态比较简单的环境。静态路由具有以下特点： 静态路由无需进行路由交换，因此节省网络的带宽、c p u 的利用率和路由器的内 存。 静态路由具有更高的安全性。在使用静态路由的网络中，所有要连到网络上的路 由器都需在邻接路由器上设置其相应的路由。因此，在某种程度上提高了网络的安全 性。 - 有的情况下必须使用静态路由，如d d r 、使用n a t 技术的网络环境。 静态路由具有以下缺点： 管理者必须真正理解网络的拓扑并正确配置路由。 网络的扩展性能差。如果要在网络上增加一个网络，管理者必须在所有路由器上 加一条路由。 浙江大学硕士学位论文 - 配置烦琐，特别是当需要跨越几台路由器通信时，其路由配置更为复杂。 动态路由随网络运行情况的变化而变化，路由器根据路由协议提供的功能自动计 算数据传输的最佳路径，由此得到动态路由表。 ( 2 ) 单路径与多路径 一些复杂的路由协议可