（通信与信息系统专业论文）容迟网络中的路由算法及文件传输协议研究.pdf

摘要 延迟容忍网络( d t n ) 是一种全新的无线网络概念，它是一类具有传输时延巨 大、通信信号微弱、非对称数据率传输、间歇连通等特性的网络，如深空通信网 络、战争网络等。该概念的提出旨在解决该类网络中的通信需求。d t n 的网络特 点及协议体系结构与传统网络概念大不相同，因此，对于d t n 网络的研究集中在 设计出具有容迟容断性的新型网络协议。 本文首先提出了一种适用于容迟网络的基于梯度和模糊神经网络决策的路由 算法。该算法改进了网络描述向量，采用节点自身信息及节点问链路状态信息描 述网络，实现全面描述网络；将有限历史信息的动态平均与精确预测相结合，自 适应维护网络描述向量的各分量，为路由决策提供准确的量度；采用模糊径向基 神经网络进行路由决策，实现路由决策过程的智能化；依据多跳传输成功概率引 导分组沿梯度方向转发，提高分组转发效率。仿真结果表明，在同等网络条件下， 该算法表现出比传染路由算法和上下文感知路由算法更优异的网络性能。本文其 次提出了一种基于多文件联合发送的文件传输协议u f d p 。该协议使发送文件有效 利用前文件发送过程中的往返确认时延，在有限的代价下提升了多文件发送时链 路利用效率，缩短文件的发送时间。并且通过理论分析和软件仿真，得到了该协 议相对c f d p 协议性能提升的结果。 关键词：延迟容忍网络路由算法梯度模糊神经网络文件传输协议 a b s t r a c t d e l a y t o l e r a n tn e t w o r k ( d r n ) i san e wk i n do fw i r e l e s sn e t w o r kc o n c e p t ，w h i c h g u a r a n t e e st h ec o m m u n i c a t i o n sr e q u i r e m e n t so fas e to fn e t w o r k sc h a r a c t e r i z e dw i t h h i g hl i n kd e l a y s ，w e a ks i g n a ls t r e n g t h ，l a r g eb i d i r e c t i o n a ld a t a - r a t ea s y m m e t r i e s ，a n d i n t e r m i t t e r i tc o n n e c t i v i t y , s u c ha sd e e ps p a c en e t w o r k ，b a t t l e f i e l dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ke r e d u et ot h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ed t n sc h a r a c t e r i s t i c s ，p r o t o c o ls y s t e m a n dt r a d i t i o n a ln e t w o r k s ，t h em a i n w o r ko ft h ed t nr e s e a r c hi st od e s i g nt h ep r o t o c o l s t h a tc a l lt o l e r a n td e l a ya n dd i s r u p t i o n f i r s t l y , ar o u t i n ga l g o r i t h mb a s e do ng r a d i e n ta n df u z z yn e u r a ln e t w o r kd e c i s i o n f o rd t ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i ti m p r o v e st h ev e c t o rf o rn e t w o r kd e s c r i b i n gb y a d o p t i n gt h en o d e so w ni n f o r m a t i o na n dt h el i n ks t a t ei n f o r m a t i o nb e t w e e nn o d e s ， w h i c he n a b l e sac o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o no ft h en e t w o r k 1 1 1 ea l g o r i t h mo b t a i n s a c c u r a t em e a s u r e m e n tf o rr o u t i n gd e c i s i o n sb yc o m b i n i n gt h ed y n a m i ca v e r a g eo ft h e l i m i t e dh i s t o r i c a li n f o r m a t i o nw i t ha c c u r a t ep r e d i c t i o na n dm a i n t a i n i n gt h ec o m p o n e n t s o ft h ev e c t o ra d a p t i v e l y i na d d i t i o n , f u z z yr a d i c a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r ki s e m p l o y e df o rr o u t i n gd e c i s i o n , w h i c hl e a d st om a k e st h er o u t i n gd e c i s i o n m a k i n g p r o c e s st ob ei n t e l l i g e n t n l ep a c k e tf o r w a r d i n ge f f i c i e n c yi si m p r o v e db yg u i d i n gt h e f o r w a r dd i r e c t i o na l o n gt h eg r a d i e n to fm u l t i h o pp a c k e tt r a n s m i s s i o np r o b a b i l i t yo f s u c c e s s t h r o u g hs i m u l a t i v ea n a l y s i s ，t h ea l g o r i t h mp r o p o s e di sf o u n dt oa c h i e v eb e t t e r p e r f o r m a n c et h a ne p i d e m i ca n dc o n t e x t - a w a r er o u t i n ga l g o r i t h m su n d e rt h es a m e n e t w o r kc o n d i t i o n s s e c o n d l yaf i l ed e l i v e r yp r o t o c o lb a s e do nm u l t i - f i l eu n i t e dd e l i v e r y i sp r o p o s e dt o o i tu n i t e st h ep r o c e s s e so fe a c hf i l e s d e l i v e r yt ol e tf i l e su t i l i z et h ef r o n t f i l e s r t d ( r o u n dt r i pd e l a y ) t 1 1 i sp r o t o c o lp r o m o t e st h el i n ke f f i c i e n c ya n dr e d u c e s t r a n s m i s s i o nt i m ea tl i m i t e dc o s tw h e nm a n yf i l e sn e e dt ob ed e l i v e r e d t h r o u g h t h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h i sp r o t o c o l g e t sp e r f o r m a n c eb o o s tr e l a t i v et o c f d p k e yw o r d s ：d t nr o u t i n ga l g o r i t h m g r a d i e n t f u z z yn e u r a ln e t w o r k f i l ed e l i v e r yp r o t o c o l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 人类发展航天事业的目的是探索、开发和利用太空与天体，并使其为人类服 务。航天事业集中体现了一个国家的科技水平及国家的综合国力，同时它与国家 政治、经济、军事、外交等诸多方面密切相关，是国家竞争力的充分体现。航天 事业的发展也将使整个人类的生活质量有所提高。如在高远的太空轨道上，运行 的人造卫星、空间站等航天器观测人类赖以生存的地球，可以快速地追踪地球的 变化，从而帮助我们进行地震监测、地质防灾监测、森林防火、灭火和其它自然 灾害的定位与监测，保护人们的生命财产安全；随着工业的发展和社会需求的增 长，地球自然资源的消耗量大幅度增加，因而对太空资源的开发和利用就显得至 关重要：利用太空中的微重力和真空环境，流体力学、材料和生物科学能有长足 的发展，一些高纯度、高质量的特殊合金、半导体和特殊药品即使在地球环境中 无法制造，也将借助太空环境成为现实。 自1 9 5 9 年1 月前苏联月球l 号探测卫星对月球进行研究考察以来，各国均对 宇宙空间进行了各种形式的探索。除了遥远的冥王星，木、火、金、水、土、天 王星和海王星等星球以及地球的卫星月球我们都对其进行了探测。分别以卫 星，航天空间站，载人飞船，航天飞机等形式光对火星的探测，4 0 年来，前苏联 和欧洲就进行过3 0 多次，这充分表明了各国对航天事业的重视。 美国与欧空局合作，于1 9 9 7 年l o 月向相距约为1 5 亿公里的土星发射了“惠 更斯 号土星探测器。惠更斯探测器于2 0 0 5 年1 月1 4 日在土1 5 日向地球传回约 3 0 0 幅土卫六有关星貌的清晰图像，其图像尺寸分辨率为4 0 米。火星是人类探索 的重要行星，它与地球相距约6 0 0 0 多万公里，美国于2 0 0 3 年相继向火星发射“勇 气号 和“机遇号”探测器，分别于2 0 0 4 年1 月4 日和2 5 日到达火星，之后， 它们向地球传送回了清晰度很高的图像。 随着人类对宇宙探测的不断深入，由最初的地面基地与单个卫星及航天器之 的通信，发展到多航天器之间及地面多基地之间的相互通信。并且由于航天领域 的空间范围不断扩大，以某个行星为中心基站，其周围卫星、航天器为通信节点 的通行网络将逐渐形成。最终，以各行星通信网络为载体的巨大深空通信体系必 将形成，并且必将成为航天探测与研究的最基础设施，深空通信示意图如图1 1 所 示。 深空通信网络具备着与传统i n t e m e t 网络不同的特点，如传输的大时延，链路 2 容迟网络中的路由算法及文件传输协议研究 断开，链路高差错率等，这些特点均与传统i n t e m e t 网络的特性相悖，这导致了基 于i n t e m e t 网络模型的现有网络的通信协议t c p i p 设计的局限性。如，底层协议 对时延的敏感性，网络层路由协议的低动态性，传输层协议的效率换可靠的特性， 都会对星际网络通信造成巨大的阻碍。因此新的网络概念必将诞生，针对新网络 概念的网络协议的设计也将成为未来工作的研究重点。 深空骨干网 图1 1 深空通信示意图 1 1 1 延迟容忍网络( d t n ) 简介 深 空 接 入 网 当稀疏的无线节点分布在巨大的空间范围内，节点间的物理链路因自身运动 及环境影响等原因的间断连接，遥远的传输距离带来的巨大传输时延，环境所致 的较高链路差错率，网络中源端到目的端的连接长期不存在，这种网络形态已经 打破了现有i n t e m e t 网络协议的重要假设源节点到目的节点间存在多跳形式的 连接。因此传统的网络体系结构及t c p i p 网络协议已经无法保证这样的网络通信 需求。但这种形态的无线网络却在当今的很多实际应用中出现。 延迟容忍网络( d t n ) 是由k f a l l 在著名国际会议s i g c o m m 2 0 0 3 上提出来的 一种新型无线网络体系结构【l 】。它就是从网络环境极度恶劣的“竞争”网络中抽象 出的概念。提出该概念的核心目的是以设计能够容迟容断的新网络协议来保证这 些网络的通信需求。该概念下包括星际网络，无线传感器网络，移动a dh o c 网络， 战争网络。这些网络是在i n t e m e t 网络覆盖范围以外有着很广阔的应用【2 】，并为那 些恶劣环境下的通信应用场景提供了基本的保障。 深空网络通信，为完成对深度宇宙空间探测，以行星为及周围卫星组成的局 部网络间信息共享传输的通信网络，必将是现有的卫星通信及研究中的深空通信 的最终形式。美国n a s a 所资助的i n t e r p l a n e t a r yi n t e m e tp r o j e c t 就是针对这个目标 的研究项目。同时，美国的i n f m e r ad t n 光网络部也正在部署中。 第一章绪论 3 移动a dh o e 网络，节点带有无线收发设备，是可以自由移动，地位平等，没 有基站移动台之分，通过多跳形式通信的无中心网络。该网络的网络拓扑动态变 化，链路通断随机、状态多变，具有极强的自组织性。它具有无需基础网络设施 支持，快速组网的特点，能够应对恶劣条件下的通信需求。 无线传感网络，由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器为节点组成，通 过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。因此其也具备基本的a dh o e 网络的 一些特点，并且因其供电受限的原因，无线传感网络生存性的提高成为该网络协 议设计的重点。根据应用场景的不同，移动性与移动a dh o e 有一定差距。 战争网络，即在战争中出现的战斗单位问的无线通信网络形态。在战争这种 特殊的应用场景中，通信网络表现出通信链路恶劣，链接通断随机，通信整个过 程大时延等特点。目前，美国已经在陆军士兵的身上装备无线传感器，将作战的 每个单位建立成无线战争网络以保证战术的执行，提高整体战斗力。 1 1 2d t n 网络特点 d t n 概念内的实际网络并不基于现有对网络链路的假设前提，d t n 网络的应 用环境和网内节点使得d t n 具有与传统i n t e r a c t 网络不同的特点： ( 1 ) 长距离、大时延通信 月球相距地球约3 8 万公里，地球与月球的单向时延己达到l s 。火星相距地球 最近时也约6 0 0 0 万公里，当地球与火星处于太阳的不同侧时，地球与火星的深空 链路通信距离远至4 亿公里，光传输的时间范围在4 , - - 2 0 m i n 【3 j 。太阳系中其它行星7 距地球的距离大都在几亿公里以上，传输时延更为巨大。然而在i n t e m e t 中传输的 时延设计值都在毫秒级。大传输时延是d t n 网络区别于现有传输网络最主要的特 征。因此t c p i p 的协议在此环境下将无法正常工作。这使得新协议体系中上层协 议需采取特殊的措施提高通信链路的利用率，并且对下层传输“超时”的问题也 需要较强的容忍力。 ( 2 ) 间断连通性 在深空网络中，由于地球及行星各自的自转和公转，以及卫星的绕地运动， 使得深空网络的通信节点间不能长时间处在可通信状态内，其通信链路不能长时 间存在。同时，由于特殊的高辐射环境，如太阳黑子等太空活动的爆发，会导致 星际网络链路连接时序进一步复杂多变。在无线传感网络及移动a dh o e 网络中， 自由节点由于其各自的随机运动也会常常使通信节点对超出无线通信范围，导致 链接的间歇通断。因此与传统的i n t e m e t 网络相比，d t n 网络的协议设计要求在不 影响应用要求的前提下，对网络链路连接变化有较强的感知和应对力。 ( 3 ) 低信噪比下的高链路差错率 4 容迟网络中的路由算法及文件传输协议研究 d t n 网络的通信信道具有超强的衰落特性，如深空网络具有高辐射的时变衰 落特性信道，加上深空网络通信节点问通信距离巨大，传输损耗严重，因此深空 通信网络的链路差错率较高。一般网络中的光通信系统误码率为1 0 。1 5 - - 1 0 d 2 ，而 在深空网络中，误码率甚至可以达到1 0 。这极大影响了接收端对信号的解码和恢 复，使得上层协议在设计时需要对差错检测与差错控制等的控制能力有较高的要 求。 ( 4 ) 不对称数据速率 不对称的数据速率意味着系统输入流量和输出流量的数据速率存在差异。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 据速率比可能会到1 0 0 0 ：1 或者更高1 3 】。 ( 5 ) 节点的资源受限 由于d t n 网络应用场景的原因，大多数节点常分布于深空，湖泊，战场。通 信节点在体积和重量方面有严格的要求，因此供电设备等资源受到严重限制。如 深空探测器的能源主要靠太阳能帆板提供，而太空中接收到的太阳能有限，因此， 在通信探测器的设计中，发射功率及协议设计中所需的计算能力均受到严重影响。 ( 6 ) 网络环境复杂 深空网络通信中，在月球和太阳系其它行星上，与地球地面通信环境相比， 其温度，辐射和振动等通信环境要更为恶劣和复杂，加上太空中各种行星活动频 繁，使得深空网络实际运行中的情况更为复杂。又如在无线传感网络中，应用环 境常是水面或沙漠，这些与传统网络的应用环境也有很大区别。 1 1 3d t n 体系结构 ( 1 ) 互操作性。d t n 是一种特殊的新型网络，主要为节点间通信传输时延巨 大，网络拓扑动态变化，源端到目的端连接长期不存的这一类无线网络提供通信 保障。在该概念下包含许多现有的无线网络，如深空网络，移动a dh o c 网络等。 这些网络多已经具备自己的协议体系，因此，d t n 网络体系结构是覆盖在多种不 同类型网络之上的一种面向信息的覆盖层体系结构，它支持不同类型网络之间的 协议转换和通信链路特性的兼容，最终实现各种d t n 网络问具有统一的协议，支 持异构网络间的正常通信，并且可以和i n t e m e t 进行融合1 4 】。 i r t f ( i n t e m e tr e s e a r c ht a s kf o r c e ) 对d t n 的定义为延迟和中断容忍的互操作 网络( d e l a ya n dd i s r u p t i o n - t o l e r a n ti n t e r o p e r a b l en e t w o r k ) 。即实现各种区域的各种异 构网络之间的相互操作，容纳异构网络之间及之中的大延迟和频繁连接中断，支 持异构网络之间不同协议之间的相互转换。d t n 可以容纳现有、发展中的及以后 的各种无线网络，扩大互联网所覆盖空间和概念上的范围。 第一章绪论 5 d t n 作为一个不同区域网络的覆盖互联概念网络，如i n t e r n e t 引入i p 协议解 决对不同协议的数据包进行统一封装，异构网络终端统一编址，从而实现异构网 络互联一样，d t n 协议体系机构引入了一个重要的覆盖层- - - - - - - b u n d l e 层。它是一 个端到端的面向消息的层，位于不同类型网络的传输层( 或更底层) 之上应用层 之下，如图1 2 所示。 应用层应用层 b u n d l e 层 特定区域特定区域特定区域特定区域特定区域 底层协议底层协议底层协议底层协议底层协议 图1 2b u n d l e 协议的位置 b u n d l e 层使用统一的数据传输单元，并有自己的封装格式和命名、寻址机制， 完成类似于网关的功能。b u n d l e 层采用存储转发的方法解决了变化的长时延，间 断性连通，非对称数据速率和高误码率等问题，其作用类似于电子邮件。b u n d l e 层使得下层协议对于应用层是透明的，所以在d t n 中不同的区域网络可以使用不 同类型的协议，使各个区域网络最优的整合在一起。 ( 2 ) 先存储再转发。这是d t n 网络解决由于间断性连接、长且可变延时、 不对称数据速率和高误码率所带来的问题的最根本办法。这是也是一个古老的方 法，很久以前就在驿马快信制度和邮政系统中使用。整个消息或者消息分片沿着 一条最终将到达目的地的路径，从一个节点上的无限期存储单元内转移( 转发) 到 另一个节点上的无限期存储单元内。如图1 3 所示。 节点 毯口 节点笃口节点u 口 节点 a 转发 。 b 转发 。 c 转发 。 d 图1 3 存储与转发 可以无限期的存储信息的设备( 如硬盘) ，称为永久性存储设备，这类设备提 供的存储与一般存储器提供的短期存储是不同的。i n t e m e t 路由器在查找路由表时， 使用内存来存储( 排队) 进入的分组，但这个时间比较短，一般为几个毫秒。b u n d l e 协议利用这种长期性的消息保持来实现延时隔离、保管传送和重发式前移。 ( 3 ) 保管转发。d t n 在传输层和b u n d l e 层共同努力下能支持节点到节点的被 破坏或者丢失数据的重传。但是，d t n 网络几乎没有端到端的固有连接，因此不 6 容迟网络中的路由算法及文件传输协议研究 存在像t c p i p 协议栈中的传输层协议，在通信对端之间建立数据的重传保障机制， 而是通过d t n 节点之间对转发数据采用先存储再申请保管转发实现的。 b u n d l e 层通过保管传送的方法支持节点到节点的重传。这种传送从源端发起 初始请求，在连续节点的b u n d l e 层之间进行。如果当前保管者需要发送一个b u n d l e 给下一个节点，它将请求进行保管传送并且启动一个应答时间重传定时器。如果 下一跳节点接受保管，它就回送一个应答给发送者。如果在发送者的应答时间超 时之前没有返回应答，发送者将重发b u n d l e 。如图1 4 所示。应答时间重传定时器 的值可以随路由信息分发给节点或者基于过去到某个特殊节点发送的经验在本地 计算得到。 应用层 传输层 网络层 链路层 物理层 源节点目的节点 甲 保管节点保管节点 i 带在时超 固 f ：1 萨在时楚 3 潜在时延潜在时延 j 3 jl l u j l i l c t i c t l c t l i i il i i i i i i - i i i ll i l i i - i i i i ii ii i li i l 一一 一 一- 一 图1 4 保管传输示意图 一个束的保管者必须一直存储束，除非出现以下两种情况：1 另一个节点接 受了b u n d l e 的保管；2 束的生存时间过期，这个时间规定比保管者的应答时间要 长得多。但是应答时间也应该足够长，以便底层传输协议尽可能有机会完成可靠 传送。 保管传送不能提供端到端可靠性保证，这只有在源端请求保管传送并且有回 执时才有可能实现。在这种情况下，源端必须保留一份束的拷贝直到接收到回执。 如果没有接收到回执，源端将重发束。 1 1 4d t n 的主要协议 ( 1 ) b u n d l e 协议 d t n r g ( d t n r e s e a r c hg r o u p ) 提出的b u n d l ep r o t o c o l 就是一种覆盖网协谢5 1 ， 运行于特定区域的不同种类的底层协议，如现有的i n t e m e t 协议和其他的更生僻的， 诸如深空通信，复杂传感器网络等挑战性环境的协议之上，该覆盖层称为“束层 ( b u n d l el a y e r ) 。b u n d l e 层和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。 第一章绪论 7 b u n d l e 协议中规定封装数据称为b u n d l e ，其由三部分组成：1 源应用的用户 数据。2 控制信息，由源应用为目的应用提供，描述了怎样处理、存储、抛弃等 对用户数据的操作。3 头标，由b u n d l e 层插入。与应用程序用户数据类似，b u n d l e 可以任意长。 束扩展了由i n t e m e t 协议处理的数据对象封装的层次，其封装方式也类似于 i n t e m e t 协议o b u n d l e 层可以将整个b u n d l e ( 整个消息) 分片，与i p 层将整个数据 包分片类似。如果b u n d l e 被分片，则在最终目的节点上的b u n d l e 层将重组这些分 片。 ( 2 ) l t p 协议 l 1 m 是用来处理点到点通信中的延迟和中断，尤其是长延迟链路的问题，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中断问题 l 们。比如若一个正在与地面通信的飞行器马上要隐藏在一个星球背面，它将不能再 发送l 1 p 数据，并且在它从星球的阴影里重新出现之前也收不到之前发送数据的 应答消息，此时飞行器通过“冻结 所有的计时器以处理阴影内的这段时间，一 旦重新暴露在星球的正面即重启它们。在通信状态发生变化的临界状态冻结或者 标记计时器的做法是l t p 协议的关键思想。l 1 限是个点到点协议，所以不需要考 虑路由或者拥塞控制问题。m 协议能够支持b u n d l e 协议，所以可以配置b u n d l e l t p 的协议结构l t p 协议也适用于地面网络中存在大量中断时的情况。 ( 3 ) s a r a t o g a 协议 s a r a t o g a 是一个使用u d p 或类似u d p 的简单、轻量级分发协议，用于在通信 双方间歇性连接的情况下传输文件或数据流，可以在不利的环境中可靠传输大量 数据1 7 1 。s a r a t o g a 协议用于解决通信双方链路或路径非常不对称时存在的问题，在 需要的情况下，能够支持完全单向的数据传输。在专用链路场景下，s a r a t o g a 通过 提高链路利用率来充分利用有限的连接时间，同时标准拥塞控制机制也可以应用 在共享链路上。通过简单的否定应答a i 机制实现丢包控制。 1 1 5d t n 的关键技术 ( 1 ) 路由技术 在a c ms i g c o m m 2 0 0 4 年会中，j a i n 等人提出了d t n 网络中的路由问题， 明确提出了d t n 路由的主要问题就是确定消息如何端到端地穿越一个随时间变化 而连续变化的网络，且这种动态性是可能预知的。 在已有研究成果基础上，将d t n 路由策略分为两大类【8 j ：一类为确定性路由 方案，它假定将来的移动和连接是可以知的、可预测的；另一类为随机性路由方 案，它假定网络是动态的、不确定的。主要的确定性路由方法有：1 基于树的方 8 容迟网络中的路由算法及文件传输协议研究 法( t r e ea p p r o a c h ) ，2 时空路f l j ( s p a c et i m er o u t i n g ) ，3 修正的最短路径方法 ( m o d i f i e ds h o r t e s t p a t ha p p r o a c h e s ) ；主要的随机性路由方案有：1 传染性随意散 发方式( e p i d e m i c r a n d o ms p r a y ) ，一种在不知道任何消息时将分组转发给所有邻 节点的方法。2 基于历史消息的方法( h i s t o r yo rp r e d i c a t i o n - b a s e da p p r o a c h ) ，它主 要是根据一些历史消息来决定是否存储分组并等待好的机会，或者决定哪一个节 点和什么时间去转发。一些协议提出了基于下一跳消息的每联系路由( p e rc o n t a c t r o u t i n g ) 和基于平均端到端性能参数的每联系路由。3 基于模型的方法( m o d e l b a s e d ) 。4 可控移动方法( c o n t r o lm o v e m e n t ) 。5 基于编码的方法( c o d i n g b a s e d a p p r o a c h e s ) 。 ( 2 ) 组播技术 组播技术在传统的i n t e m e t 和无线自组织网络已经引起了广泛的研究并得到了 丰硕成果1 9 】【m 】。在d t n 网络概念下的很多应用场景中也有对组播技术的需求。但 是，组播技术是在网络中对一组用户的数据分发技术，然而在链路动态变化且节 点通信常常中断的特性，要实现组播技术将是一个难题。首先，在这种新型网络 中组的概念需要重新定义。其次，就是在新的组概念下，如何设计路由协议以实 现“组 内数据分发。 组播技术是d t n 网络的一项支撑技术，并且在研究中以获得一些成果。 s y m i n g t o n 等人提出了d t n 网络中的非保管( n o n c u s t o d i a l ) 尽力传送组播方案，他 们定义了在d t n 网络中为了提供非保管捆绑组播传输的数据格式要求和一些限 制。该文描述了如何使一个源节点使用捆绑协议协以非保管的方式传递一个捆绑 包到多个目的节点，而不是为每个目的节点独立单播一个捆绑包。捆绑协议的目 的是在这些特殊网络中提供协同性。在捆绑协议基础上，s y m i n g t o n 等人进行了扩 展来支持d t n 网络中保管组播捆绑递送。这一扩展被用来支持从单源到多个目的 点的保管传递和基于保管的重传。 ( 3 ) 传输技术 d t n 体系结构提出了面向消息的存储转发覆盖层方法以处理受限网络中频繁 的网络断开、高延迟和异构性等问题。其中一个重要的建议是采用保管传递来加 强端到端的可靠传递。保管传递协议是c e r f 等人首次提出的，f a l l 等人在文献【l l 】 中做了进一步的工作，描述了保管传递的实施和结构，并指出保管传递和数据库 的不同。节点是否接受消息并进行保管取决于该节点的当前资源、路由情况、消 息的优先级、消息大小、剩余消息生存时间、安全情况及本地策略限制等因素。 在网络中传输的消息也可能被分段和重组。在消息传输中如果出现d t n 网络拥塞， 其主要解决方式是丢弃超时消息和没有接受保管的消息，对已经接收保管的消息 将它们转移到另一个保管代理人。实际上，保管传递的目的是将消息可靠传递的 责任从一个节点转移到另一个节点，始于发送者，终于目的点。 第一章绪论 9 1 2 论文的创新 1 2 1 基于梯度和模糊神经网络的路由算法 通过对d t n 的全面了解，针对其关键技术中的路由技术进行了深入的研究， 本文提出了一种基于梯度思想的路由算法。在该算法中沿用了机会网络中的委托 转发思想，运用多维向量描述复杂的d t n 网络拓扑及链路状态，并采用自适应的 历史信息结合精确预测的方式动态维护拓扑描述向量，以提高路由算法的精确度； 以多维向量为输入，以到目的节点的转移成功概率为输出，利用模糊神经网络得 到以各节点间的转移成功概率描述的网路拓扑图。最终以改进的b f 算法迭代出多 跳转移概率最大的路径，并引导分组沿此路径转发。 1 2 2 基于c f d p 协议的改进协议u f d p 协议 通过对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 ) 提出的经典深 空通信文件传输协议c f d p 的深入研究，其算法通过使用否定应答减小文件的确 认时延，做到了有效利用大传输时延提高传输效率。但是，在多文件的发送时仍 然有很长的排队等待时延，没有做到真正的多文件联合发送提高传输效率。本文 提出了一种在适当增加处理开销的情况下，将多个文件联合发送，充分利用前文 件的等待否定应答时间，提高网络的资源的利用率，理想状态下达到将发送时间 域全部利用的目的。 1 3 论文结构安排 本文首先在第一章中介绍了d t n 网络的发展由来，并详细介绍了d t n 网络 的概念及相关的应用、协议、关键技术等内容。在第二章介绍了在d t n 中本文主 要研究的两个领域：1 d t n 网络中路由技术的发展及d t n 路由协议的设计思想。 2 d t n 网络的重要分支深空通信应用中的经典文件传输协议c f d p 的工作过程及 性能分析。第三章本文提出一种基于梯度和模糊神经网络的路由算法，对该算法 的设计理念，具体技术进行了介绍，最后对该算法的性能进行了仿真分析。第四 章本文提出了一种基于c f d p 文件传输协议的改进协议u f d p ，对其工作过程进行 了详细介绍和性能分析。第五章对全文的工作进行了总结和未来需要开展的工作 的展望。 1 0 容迟网络中的路由算法及文件传输协议研究 第二章d t n 路由算法及文件传输协议c f d p 1 1 第二章d t n 路由算法及文件传输协议c f d p 2 1d t n 路由 d t n 路由技术为支撑d t n 网络概念的重要技术之一。它在应对d t n 网络的 超长时延，链路状态的高动态变化，和链路随机通断等问题上起着重要作用。d t n 路由技术为上层协议对抗因底层链路变化而带来的对源应用的影响上，起到了屏 蔽底层网络特性的作用，并且解决了d t n 网络长时间不存在源端到目的端稳定连 接而需实现端到端通信的重要矛盾。因为其任务艰巨，并且d t n 网络现有网络特 性之间的巨大差异，导致现有的网络路由协议和算法很难应用于其中，因此d t n 网络路由技术也是一个极具挑战的研究方向。因此它已经成为中外广大学者的研 究重点，也是本文创新的主要源点。 2 1 1t c m p 路由协议在d t n 中的局限性 在传统的i n t e m e t 网络中路由层协议的目的是为了使异构网络区域之内及之间 能够进行数据分组的从源端到目的端的转发成功。从而实现异构终端之间的数据 能够找到合适的路径穿越整个i n t e m e t 网络。在t c p i p 协议栈中，路由层的路由 协议主要有r i p 、o f s p 、e g p 、b g p 等协议。其中，e g p 、b g p 协议负责各个异 构网络自治系统内的数据转发传输，而r i p 、o f s p 协议负责异构网络自治系统间 的数据转发传输。 i n t e m e t 网络的路由协议的工作过程多是，定期从固有的服务节点( 服务器) 获得相关的网络路由信息，这些信息诸如路由节点情况，节点间的链路状态等。 这些信息也最终成为路由层将数据分组向目的节点的转发传输的拓扑依据。在定 期的对网络拓扑的及时采集和更新后，建立最新网络拓扑，根据已有的路由算法 为待转发的分组得到一条完整的路由转发路径引导分组转发。当然协议分组的转 发过程是有生存时间的限制，在生存期内没有完成路由整个过程的分组将被抛弃。 在以上的协议如o s p f 、r i p 协议中，其路由路径计算算法都基于最短路径或 最小“代价 的概念，就是根据用已有代价值来描述的网络拓扑的前提下，以代 价值最小为目的计算出一条分组转发的多跳路径。常用的算法有【1 2 】： b e l l m a n f o r d 算法，简称b f 算法是一种集中式的点到多点的路由算法，即需 寻找网络中一个节点到其他所有节点的路由。其方法简述为以节点间的跳数为迭 代变化项，以路径上的代价和为依据，按固定的迭代跳数选择所有可能的路径中 1 2 容迟网络中的路由算法及文件传输协议研究 最短的路径为当前跳数下的最短路径，当迭代过程中路径上的代价和不随着迭代 的进行而改变时，算法终止得到节点间的全局最短路径。 d i j k s t r a 算法，也是一种典型的点对多点的路由选择算法，即通过迭代，寻找 某一节点到网络中其他所有节点的最短路径。d i j k s t r a 算法通过对路径长度的进行 迭代，从而计算出到达目的节点的最短路径。其基本思想就是按照路径长度增加 的顺序来寻找。假定所有链路的长度为非负。显然有到达目的节点l 的最短路径 为节点l 的最近的临近节点所对应的单条链路。最短路径中下一个最短路径肯定 在节点l 的下一个最近的邻节点所对应的单条链路，依次类推。 f l o y d - w a r s h a l l 算法，与前面讨论的b f 算法和d i j k s t r a 算法相比，他们都是 所有节点到一个特定的目的节点之间的最短路径，而f w 算法则是多点到多点的 路由选择算法。及f w 算法是寻找所有节点之间的最短路径。其基本思想是在 f 寸，之间添加中间节点来减小路径代价。在f w 算法中，假定链路长度可以是正 或负，但不能具有负长度的环。f w 算法开始时，以单链路( 无中间节点) 的距 离作为最短路径的估计。然后，在仅允许节点l 作为中间节点情况下，计算最短 路径，接着允许节点l 和节点2 作为中间节点的情况下计算最短路径，以此类推。 通过以上对i n t e m e t 网络中网络层协议的工作构成和主要路由算法的分析，并 结合前面章节对d t n 网络特点的分析，我们可以得出这些路由层技术的一些在 d t n 网络的局限性t ( 1 ) 这些路由协议需要中心服务节点对网络中节点信息和链路状态进行更新 维护。然而d t n 网络中节点平等，一般没有这样的节点去充当这样的职能，并且 定时的信息维护也不能满足d t n 网络拓扑和链路的高动态性的需求。 ( 2 ) 路由协议中对数据分组的生存性有要求，数据分组在生存时间到期之前 没能到达目的节点将被抛弃。在d t n 网络中，路由过程是一个漫长的过程，有时 分组会因为链路的断开在中继节点等待链路恢复需要很长的时延；有时分组会因 为拓扑不断的变化，致使分组在网络中多次尝试转发也没能到达目的节点。这样 的特性使得无论是以跳数还是时间为生存时间的协议包都很难在d t n 网络中完成 路由过程。 ( 3 ) 路由算法多基于静态的网络拓扑计算最短代价得到最短路径，没有应对 时变的链路，并且没有应对变化的拓扑下的路径计算方法。这对于d t n 网络链路 状态为时变函数如z ，( f ) ，这种特性是无法准确计算路径的。更有甚者，当链路因 为时变特性而断开时，将导致所选的路径并非为最佳路径，并且待转发分组将无 限被延滞，从而导致路由过程失败。 第二章d t n 路由算法及文件传输协议c f d p 1 3 2 1 2d t n 路由协议发展概况 当人们在研究和部署行星际i n t e m e t ( i n t e r p l a n e t a r yi n t e r n e 0 和稀疏网络的时候， 发现了这种节点非常分散、节点之间间歇性连接( i n t e r m i t t e n t l yc o n n e c t e d ) 、数据传 输延迟较大的网络。学者们对这些网络应用进行抽象，提出了d t n 的网络概念。 在无线传感器网络和移动a dh o c 网络中，d t n 渐渐地形成了一个全新的研究领 域，为无线传感器网络和a dh o c 网络开辟了新的应用前景，吸引了越来越多的国 内外学者。d t n 不但具有传统无线传感器网络无线通信、节点能量有限、自组织 等特点以外，还具有一些自身特殊的性质，这些特性包括：稀疏的网络连接( s p a r s e c o n n e c t i v i t y ) 、节点的移动性( n o d a lm o b i l i t y ) 、延迟容忍( d e l a yt o l e r a n t ) 、错误容忍 ( f a u l tt o l e r a n t ) 和有限的存储空间( l i m i t e db u f f e o 等。也因为这些特点使得不仅仅是 传统i n t e m e t 网络的路由层协议无法在d t n 网络中正常工作，包括现有的无线传 感网络和深空通信网络及移动a dh o c 网络协议算法也不能完全适应其需要。 如a o d v 协议应用在移动a dh o c 网络中，可以通过路由请求和路由维护来实 现路由过程。路由请求：当源节点需要发送数据时先查找路由表，如果表内存在 到达目的节点的路径则按路由表指定的下一跳转发数据，若没有相关路由则节点 向其邻节点广播一个路由请求( r r e q ) 控制分组。所有邻节点再转发这个路由请求 分组，如此循环直到r r e q 分组到达目的节点或是到达知道去往目的节点路由的 中间节点。收到r r e q 分组的节点在转发的同时，会在本地路由表中记录下到发 此r r e q 分组的邻节点的路由，以便建立反向路由即r r e q 消息沿原路返回。目 的节点或是知道去往目的节点路由的中间节点，会沿着反向路由发送路由应答 ( r r e p ) 分组直至源节点，收到r r e p 的中间节点与源节点将在路由表中记录到此 目的节点的下一跳地址和跳数，至此从源节点到目的节点的路由就建立了。路由 维护：每个节点周期性的给邻节点广播一个h e l l o 包，如果一定时间后，邻节点 还没有收到再次确认连接的h e l l o 包，就认为这条链路断开。有效路径中的每一 个节点均周期性的广播h e l l o 包来监视下一个节点的链路状态。若节点在使用某 个链路时一旦认为链路断开，节点就从路由表中删除包含该断开链路的路由，并 立即广播路由错误( r e r r ) 分组，通知那些因为链路断开而不可达的节点将对应路 由从路由表中删除，沿途转发r e r r 的节点也删除自己路由表中的对应路由。如 果断开处的上游节点与目的节点之间的距离小于一定跳数，则该节点启动生存时 间比较小的r r e