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p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no nm e s s a g e f e r r y - b a s e dr o u t i n g p r o t o c o l si n 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 s c a n d i d a t e :y a nx i a o r o n g a d v i s o r :a s s o p r o f p e n gw e i at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ep r o f e s s i o n a ld e g r e eo fm a s t e ro fe n gin e e r i n g i nc o m p u t e rt e c hn o l o g y g r a d u a t es c h o o lo fn a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s et e c h n o l o g y c h a n g s h a , h u n a n ,p r c h i n a a p r i l ,2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果,也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目:基王澄! 垦堡遗鲍空圣窒逝圈签整直述这性篮迁鱼一 学位论文作者签名:匕! 立:! :l 丞日期:垆秒年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档,允 许论文被查阅和借阅;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, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目:基王逍! 塾堡渡煦空堡空虹圜终整直达这性能迁鱼 学位论文作者签名: ”坼 作者指导教师签名:杰金卑 日期: 矽口年 多月7 日 日期:杪啤么月7 日 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言1 1 1 研究背景与研究意义l 1 2d t n 路由问题3 1 2 1d t n 网络的应用特征3 1 2 2d t n 路由问题的复杂性4 1 2 2 实用条件下d t n 路由面临的挑战5 1 3 研究内容与研究成果6 1 4 论文组织结构7 第二章相关工作8 2 1d t n 网络研究8 2 1 1d t n 网络的体系结构8 2 1 2d t n 网络关键技术及知识点9 2 2d t n 网络路由方法1 3 2 2 1 洪泛1 3 2 2 - 2 转发1 4 2 2 3 确定性连接一1 4 2 2 4 随机性连接一1 5 2 2 5 几种典型的d t n 单播路由协议1 6 2 3 基于消息摆渡的d t n 路由技术1 7 2 3 1 消息摆渡方法的提出1 7 2 3 2 消息摆渡方法的应用18 2 4d t n 网络仿真工具及评估指标1 9 2 4 1d t n 网络模拟器2 0 2 4 2d t n 网络性能评估指标2 3 第三章d t n 路由协议性能评估一2 5 3 1 模拟评估环境2 5 3 1 1d t n 应用需求设想一2 5 3 1 2 实验场景设置2 6 3 2 模拟评估设置2 7 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 3 2 1 实验参数设置2 7 3 2 2o n e 模拟器程序实现2 8 3 3 性能评估结果一2 8 3 3 1 仿真实验2 8 3 3 2 模拟结果分析3 0 第四章一种基于消息摆渡的d t n 组网与路由方法3 4 4 1 传统的消息摆渡方法3 4 4 1 1 传统的消息摆渡方法的基本思想一3 4 4 1 2 传统的消息摆渡方法的优缺点分析一3 8 4 2 一种基于消息摆渡的d t n 组网与路由方法3 9 4 2 1 基本思想3 9 4 2 2 组网和路由方式4 0 4 2 3 混合摆渡路由模式合理性分析4 l 4 2 4 最小摆渡节点数的理论分析4 3 4 2 5 摆渡路径规划4 5 第五章基于消息摆渡的d t n 路由协议性能评估4 8 5 1 模拟评估设置4 8 5 1 1 实验场景设置一4 8 5 1 2 实验参数设置一4 9 5 1 3o n e 模拟器程序模块实现5 0 5 2 性能评估结果5 0 5 2 1 仿真实验一5 0 5 2 2 模拟结果5l 5 2 3 模拟结果分析5 3 结束语5 7 致谢5 8 参考文献5 9 作者在学期间取得的学术成果6 3 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表1 1 部分部署或试验中的d t n 网络项目2 表1 2d t n 与i n t e m e t 的部分特征差异对比4 表2 1 几种单播路由算法简介1 7 表2 2 常用的离散事件模拟器对比2 0 表3 1 模拟相关参数设置2 7 表3 2 各类d t n 路由协议模拟结果对比表3 0 表4 1 几种多路径摆渡路由算法简介4 7 表5 1d t n 组网参数设置4 9 表5 2f e r r y 节点参数设置5 0 表5 3 直接摆渡路由模式对d t n 网络性能影响模拟结果一5 2 表5 4 混合摆渡路由模式综合性能参数统计表5 5 第页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图目录 图1 1i n t e m e t 与d t n 的分层体系结构对比4 图2 2d t n 网络报文传输示意图9 图2 3 节点和端点的关系1 0 图2 4d t n 节点的命名1 0 图2 5b u n d l e ( 报文) 格式1 1 图2 6 捆绑转发器的执行结构1 2 图2 7d t n 通信示意图1 2 图2 8o n e 模拟器图形用户界面2 2 图2 9o n e 模拟器的软件组成2 3 图3 1d t n 网络研究场景想定2 6 图3 2 不同d t n 路由协议性能对比2 9 图3 3 网络信息最对d t n 路由协议性能的影响3 l 图3 4 不同节点密度对d t n 路由协议性能的影响3 3 图4 1 传统的消息摆渡方法组网示意图3 5 图4 2 传统的数据摆渡传输实现过程3 7 图4 3 混合摆渡路由模式下数据传输的实现过程4 1 图4 4d t n 网络摆渡节点数与网络平均延迟关系示意图4 3 图4 5 一种基于消息摆渡的d t n 组网想定4 4 图4 6 乡村通信网络示意图4 6 图5 1 稀疏d t n 网络研究场景一4 8 图5 2 基于赫尔辛基市区交通的摆渡路径规划图5 1 图5 3 混合摆渡路由模式的模拟实验结果5 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 摘要 随着空间网络、军事无线自组织网络、陆地移动网络、无线传感器网络和水 下网络等特殊应用需求的不断提出,d t n ( 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 ) 网络的研究成果不断涌现,这为d t n 技术的部署应用和进一步发展提供了良好的 理论和技术支持。从d t n 网络实际部署应用的角度看,某些特定的d t n 网络由 于节点分布的稀疏性、节点移动的随机性、消息通信的不确定性以及网络拓扑频 繁变化、通信链路经常中断、传输延迟相对更长的特点更为突出,这就使得d t n 的数据传输性能难以得到保障,直接影响d t n 网络的有效性。 本文首先分析了国内外d t n 路由技术的研究成果,尔后使用o n e ( o p p o r t u n i s t i cn e t w o r k i n ge n v i r o n m e n t ) 模拟器,对几种典型的d t n 路由协议进 行模拟测试,综合进行各类路由协议的性能评估,在此基础上,进行了不同d t n 路由策略的适用性评估以及不同网络节点密度对d t n 网络性能影响的分析研究。 结合稀疏d t n 网络的典型特点,总结阐述了传统消息摆渡方法的基本思想, 对其在d t n 路由应用中的优缺点进行了深入分析。在此基础上,按照将已有d t n 路由协议与消息摆渡思想相结合的思路,提出并实现了一种基于消息摆渡系统框 架的d t n 组网与路由方法一混合摆渡路由模式。该模式下,网络内的普通节点和 f e r r y 节点共同执行相同的路由协议,协作完成网络数据的中继转发,具有很大的 灵活性;同时,具有特殊性能的f e r r y 节点的引入,能有效提高稀疏d t n 网络内 节点间的通信机会,并因此增加消息报文在传输过程中的转发机会,提升稀疏d t n 网络的数据传输性能。 最后,基于o n e 模拟器,模拟实用条件下稀疏d t n 网络的特点,设计构建 了普适化的模拟实验环境,重点针对稀疏d t n 网络数据传输性能、传统消息摆渡 方法的应用实效和我们所提出的混合摆渡路由模式的应用实效,进行同一应用场 景下的模拟仿真和对比。实验结果表明,混合摆渡路由模式不仅能够有效提高各 类d t n 路由协议的性能,在网络报文传输比、网络丢包比和网络开销比等性能参 数的表现,明显优于传统的消息摆渡路由方法,更好地保证了稀疏d t n 网络的数 据传输性能。 主题词;容迟容断网络,路由,消息摆渡,性能评估,模拟 第i 页 国防科学技术大学研究牛院工程硕士学位论文 a b s t r a c t r e m a r k a b l ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d ei nd t n s ( d e l a y d i s r u p t i o n t o l e r a n t n e t w o r k s ) w i t ht h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t sf r o ms o m es p e c i a ls c e n a r i o s ,e g ,s p a c e n e t w o r k , m i l i t a r ya dh o en e t w o r k , 嗄a 卜e t ( m o b i l ea dh o en e t w o r k ) w s n ( w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ) ,u n d e r w a t e rn e t w o r k ,e t c h o w e v e r ,i nm a n yr e a l i s t i ca p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t s ,d u et on o d em o b i l i t y ,n o n d e t e r m i n i s t i cc o m m u n i c a t i o n ,l o n gl i n kd e l a y a n df r e q u e n tt o p o l o g yc h a n g e s ,i ti ss t i l ld i f f i c u l tt op r o v i d ep e r f o r m a n c eg u a r a n t e ef o r d a t ac o m m u n i c a t i o ni 1 1d t n s i nt h i sp a p e r ,w ef i r s tr e v i e wt h er e s e a r c hw o r ko nd t n r o u t i n g ,a n du s i n go n e ( o p p o r t u n i s t i cn e t w o r k i n ge n v i r o n m e n t ls i m u l a t o rt o t e s ts e v e r a lt y p i c a ld t nr o u t i n g p r o t o c o l sf o rs y n t h e t i c a l l ye v a l u a t i n gt h e i rp e r f o r m a n c e b a s e do nt h i sw o r k , w es t u d y t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp e r f o r m a n c ef a c t o r si n c l u d i n gr o u t i n gs t r a t e g y ,n o d ed e n s i t ya n d o t h e r s a f t e ri l l u s t r a t i n gt h eb a s i ci d e ao ft r a d i t i o n a lf e r r y - b a s e dp r o t o c o l s ,w ea r g u eh o w t h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs p a r s ed t n sa f f e c tt h en e t w o r kp e r f o r m a n c e ,a n dt h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ff e r r ys c h e m ei nd t nr o u t i n ga r es u m m a r i z e d b a s e d o n t h ea n a l y s i s ,w ep r o p o s ea n di m p l e m e n tam e s s a g ef e r r y - b a s e dd t nr o u t i n gm e t h o db y c o m b i n i n gt h ef e r r ys c h e m ei n t oe x i s t i n gd t nr o u t i n gp r o t o c o l s ,c a l l e dm i x e df e r r y r o u t i n g ( m e r ) w ed i s c u s sh o wt od e p l o yt h ef e r r i e si n t ot h en e t w o r k i nm f r , o r d i n a r yn o d e sa n df e r r yn o d e si nt h en e t w o r kr u nt h es a m er o u t i n gp r o t o c o la n d c o o p e r a t ef o rd a t ar e l a y i n ga n df o r w a r d i n g ,w h i c hm a k e si tm o r ep r a c t i c a lf o rd a t a c o m m u n i c a t i o n b yt h i sw a y ,t h ec o m m u n i c a t i o np r o b a b i l i t yb e t w e e nn o d e sa sw e l la s m e s s a g ed e l i v e r yo p p o r t u n i t yc a nb ei n c r e a s e de f f e c t i v e l y ,w h i c he n h a n c e st h en e t w o r k p e r f o r m a n c e f i n a l l y w eu s eo n es i m u l a t o rt oc o n s t r u c tas i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ta c c o r d i n gt o s o m ep r a c t i c a ls p a r s ed t n a p p l i c a t i o n s w ec o m p a r et h en e t w o r kp e r f o r m a n c eb e t w e e n t h et r a d i t i o n a lf e r r ym u t i n gs c h e m ea n do u rm i x e d - f e r r yr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt l l a tm i x e d - f e r r yr o u t i n gc a nn o to n l ye f f e c t i v e l yi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fv a r i o u sd t nr o u t i n gp r o t o c o l sb u ta l s og e te x c e l l e n tr e s u l t si nm e s s a g e d e l i v e r yr a t i o ,p a c k e tl o s sr a t i oa n dc o m m u n i c a t i o no v e r h e a da g a i n s tt h et r a d i t i o n a l f e r r yr o u t i n gs c h e m e k e yw o r d s :d t n ,r o u t i n g ,m e s s a g ef e r r y ,p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n , s i m u l a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章引言 从上世纪8 0 年代末互联网兴起迄今,随着空间网络、军事无线自组织网络、 陆地移动网络、无线传感器网络和水下网络等特殊应用需求的不断提出,以往以 地面基础设施为支撑的传统网络构架已无法满足这种由各种网络构成的复杂网络 通信格局,从而迫切需要建立新一代的网络体系来为这些网络提供可靠的通信服 务。d t n ( 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 s ) 是对i n t e r n e t 体系结构的一个根本 改变,它采用了全新的体系结构及设计理念,被人们用来应对一些极端或特殊环 境下的通信所面临的挑战。它主要聚焦于具有高延迟、断续连接特性的网络通信, 是一种面向消息( m e s s a g e ) 的可靠的覆盖层体系结构。d t n 网络具有与传统网络 不同的特性,这使得传统的路由方法不能直接适用于d t n 网络。另外,随着d t n 应用的不断拓展和深入,用户对d t n 网络服务质量的要求也越来越高,如何在苛 刻的环境中提高d t n 的q o s 保证显得尤为重要。本文正是基于此背景,结合当前 国内外d t n 网络研究现状,分析d t n 网络的组网特点及关键技术,并融合d t n 网络的相关技术、保管传递思想和消息摆渡方法,深入研究d t n 网络的路由方法 和特点,以提高实用环境条件下d t n 网络的数据传输性能。 1 1 研究背景与研究意义 容迟容断网络近些年来才受到广泛关注,其英文全称为“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 ,简称d t n ( 为简化陈述,本文统一使用d t n 代称容迟容断网 络) 。d t n 网络起源于“星际网络 ( i n t e r p l a n e t a r yn e t w o r k ,i p n ) 研究,美国n a s a 从1 9 9 8 年即着手开展i p n 的研究,以满足未来深空探测任务中的科学数据传输和 太空通信导航定位的迫切需求。2 0 0 3 年8 月,i n t e l 研究实验室的k e v i nf a l l 在 s i g c o m m 上发表论文,对d t n 网络体系结构进行了重点描述,d t n 网络的体系 结构基本确立。在众多研究团体和学者的努力下,2 0 0 7 年,d t n r g ( d t nr e s e a r c h g r o u p ) 公布了迄今最为完整的d t n 体系结构文档- - r f c 4 8 3 8 引,这份文档对d t n 网络的相关概念、协议标准、应用背景、发展目标、运行机制等内容进行了较为 系统的规范;2 0 0 8 年,d t r n g 又相继发布- j r f c 5 3 2 5 3 1 、5 3 2 6 4 1 、5 3 2 7 9 l ,对d t n 网络的长距离传输协议一l t p 进行了规范,同时对d t n 网络的安全功能进行了拓 展。这些工作对d t n 的研究产生了巨大的推动作用。 d t n 作为一种新型的网络体系结构,它采用了一系列不同于i n t e m e t 的策吲6 j : 数据束代替报文分组、安全可靠的h o p b y h o p 传输代替e n d - t o - e n d 、基于名称的路 由代替基于地址的路由、部分连接网络图代替全连接网络图等。同时,它的协议 第l 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 在不改变原有网络协议的基础上,在传输层和应用层之间添加了一个“束层 ( b u n d l e ) ”,用于管理异构网络中数据束的转发。所以它不仅能够很好地解决高延 迟、频繁中断通信环境下的数据存储转发问题,而且还能够很好地融合多种网络, 保证数据在复杂网络环境中或苛刻的通信条件下的可靠传输,这些都能为d t n 网 络通信提供很好的服务保障。d t n 有许多潜在的应用【6 1 ,比如星际网络( i n t e r p l a n e t a r yn e t w o r k ,i p n ) ,斑马研究网( z e b r a n e t ) 、d a t a m u l e 和乡村网络( v i l l a g e n e t w o r k e s ) 等,它的广泛研究将为军事战争、航天通信、灾难应急等领域的信息 交流提供有力的科学理论和技术支持,将有力推进未来网络通信智能化、泛在化、 融合化的发展趋势,从而使之具备了良好的发展前景和和巨大的应用潜力。 目前,对于d t n 的研究尚处于初始阶段,还没有完整的、统一的理论支撑, 对其研究大都采用已有的有线或者无线技术。随着研究工作的进展和不断深入, 对d t n 的研究从基于星际网转移到基于地面网和水下网,使得其涵盖了空间网络、 军事无线自组织网络、陆地移动网络、无线传感器网络和水下网络等多领域的研 究,应用需求的驱动使得新的研究成果不断涌现。我们在研究中发现,d t n 能够 有效地应对节点失败和链路断开,具备在极端受限的情况下进行数据转发和通信 保障的能力,并且已经在一些研究实验中取得成功,如表1 1 所示。近年来军用和 民用领域部署或正在开展的一些试验项目有效的推进了d t n 网络研究的深入开 展,其应用部署也取得了很大的进展,越来越多的项目开始从中受益。例如2 0 0 8 年,美国海军陆战队关于d t n 的试验项目c o n d o r 【7 】第二阶段的公开报告声称, 他们的试验表明:在战术通信条件下,d t n 网络综合战术通信系统能够提供可靠 的信息转发,利用现有的程序进行卫星通信可获得1 0 0 的报文传送率,在长距离 通信情况下具有比端到端的t c p 协议更优的可靠性;在用d t n 技术对现有应用程序 改进后,其带宽需求减少了4 7 倍,战术网络通信能力提高了3 5 倍,潜在的获得 了1 7 倍的通信能力。这充分证明了d t n 网络应用的巨大潜力和发展前景。 表1 1 部分部署或试验中的d t n 网络项目 项目名称项目描述 c o n d o r t j j 美国海军陆战队实验项目 d a k n e t t 8 j 印度使用公用电话亭和公交车连接偏远地区的项目 z e b r a n e t t 9 j 非洲使用斑马进行的野生动物追踪系统项目 u m a s s l n e t l l u j 美国马萨诸塞州学院使用4 0 辆公交车进行的试验项目 p u - u w n t l l l l 美国费城城市无线网络试验项目 d t n 星上配置实验【1 2 1 n a s a 利用u k d m c 卫星进行的报文传输试验项目 分析已有的研究内容和成果,我们不难发现,目前和今后一段时间里,d t n 网络研究的难点和热点主要有以下几方面: 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 1 ) 应用层传输层协议开发。改进或开发各种应用层协议使其适用于d t n 网 络,不断完善束协议体系。 2 ) 路由算法及协议。虽然研究者在d t n 路由算法和协议的研究中已取得了 相当的成果,但关于资源和路由的讨论还将是研究者关心的问题,另外,建立完 善的d t n 路由协议算法评价指标也是今后的研究热点。 3 ) 网络安全。在d t n 网络中同样也存在安全隐患,需要对数据采取差错检 测、加密等安全措施。 4 ) 仿真环境研究。很多情况下研究d t n 网络需要建立一个仿真环境,目前 一些研究机构和研究者开发出了多种网络仿真软件,如:n s 2 ,o m 陋n 斗,q u a l n e t , d t n 2 ,o n e 等,但其仍需不断的完善和改进。 5 ) q o s 保障研究。如何提高d t n 网络的q o s 保障是d t n 网络部署应用中必 须首先考虑的问题。 这些研究的开展将进一步推动d t n 技术研究和应用的深入。目前,虽然我国 在d t n 网络研究中尚处于起始阶段,还没有取得令人瞩目的成果,但我们有理由 相信,d t n 技术具有巨大的应用价值和发展前景,值得我们深入研究。 1 2d t n 路由问题 与传统的i n t e m e t 相同,d t n 路由同样也是d t n 网络组网中的关键问题,其 路由问题的实质是在频繁中断或具有较长时间延迟的不可靠网络之上路由转发数 据。但由于d t n 网络所具有的特性,与现在的i n t e r a c t 有着根本的区别,这就决 定了d t n 路由是一个富有挑战性的问题。 1 2 1d t n 网络的应用特征 d t n 网络通常工作在网络资源极端受限的条件下,其工作环境和i n t e m e t 有着 明显的区别,表1 2 给出了d t n 与i n t e m e t 的一些特征差异的对比。 从表1 2 中可以看出,i n t e r a c t 现有的大部分机制和协议都无法在这种条件下正 常运行。d t n 网络与其它网络相比,主要具有以下应用特征【1 3 】。 ( 一) 通信链路方面:d t n 网络延迟较大,数据传输率低,通信链路不对称、 间断性中断,消息报文在传输过程中排队时间较传统网络要长很多。 ( 二) 网络结构方面:节点之间不具有层次关系,即非结构化;节点运动和 链路间歇性连接导致网络拓扑动态变化;不改变原有网络协议体系结构,在应用 层和传输层之间添加“束层( b u n d l e ) ( 其具体分层形式如图1 1 所示) ,实现 了不同网络间的互操作性。 ( 三) 端系统方面:受运行环境及其它因素的影响,通信节点受能量约束而 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 使用寿命有限,占空比较低,资源有限( 如节点存储容量、处理能力有限) 。 表1 2d t n 与i n t e m e t 的部分特征差异对比 d t ni n t e r n e t 间断性,源和目标节点间不一定存在 持续可用的端到端连接 满足通信中持续的双向端到端路径需求 不对称的数据速率,其不对称超出了 t c p 能够忍受的范围 对称的数据速率 较高的传输延迟,无法保证会话机制 的建立 较短的往返时间,利于会话建立和回复确认 低误码率,可被t c p 实时检测,并通过重传机制 高误码率,无法及时检测 更新 传输层 网络层 数据链路层 骸f 刊l 层 心丌】层 b r i n d l e 嚼 传输层 网 挥层 数据链路层 物珲层 图1 1i n t e r n e t 与d t n 的分层体系结构对比 1 2 2d t n 路由问题的复杂性 d t n 路由问题并不像标准的动态路由那么简单,因为在d t n 中,网络是时断 时续的,即网络的拓扑结构是变化的。与传统路由相比,d t n 路由的主要目的并 不是选择最短路径或者最少跳数,而是最大化报文传输的成功率或可能性。目前 很多路由协议如t c p i p 是在一些网络前提下提出的,如节点事先知道网络拓扑结 构等。d t n 并不符合这些基本假设条件,d t n 路由的指的是在d i n 层上进行的 选路策略,并没有涉及到下层网络。 d t n 路由技术是d t n 中的关键,路由协议包括三个部分:如何建立网络的拓 扑结构、如何维护网络拓扑和路由算法。目前,由d t n r g 提出的束层协议( b u n d l e p r o t o c 0 1 ) 2 1 是人们公认的更适合于d t n 特征的d t n 网络协议体系。结合d t n 网络 第4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 的特点,束层路由协议的主要功能包括:1 ) 基于保管方式的重传;2 ) 可以处理 间歇性的连接;3 ) ( 除了持续性连接) 可以预定、预测和机会连接;4 ) 通过覆 盖层端节点标示符后绑定,形成网络地址。 d t n 网络的特点决定了d t n 路由问题具有复杂性,如:d t n 路由涉及到采 用何种路由策略进行选路、路由信息的扩散、组成员管理、报文转发、状态维护 和报文重传等等,这就决定了d t n 路由与以下几个问题密不可分。 ( 一) 由于d t n 涵盖了多种网络,连接性会发生间断,所以应用场景不同, 使用的路由策略也不同。有些网络具有持续的连接,还有一些网络具有周期性的 连接。路由策略的选取要考虑d t n 网络连接的性质。 ( - - ) 连接的容量问题。容量大小密切关系到两个节点之间可以交换的数据 量多少,容量依赖于连接技术和连接的持续时间。 ( 三) 节点缓存空间及其管理。为了处理时间较长的网络间断,节点需要缓 存报文,这就意味着中间的路由器需要足够的缓存空间来存储等待发送的报文。 ( 四) 处理能力。d t n 网络的一个目标就是要实现不能通过传统网络实现连 接的设备的互联。这些设备通常很小,处理能力也有限,包括c p u 和内存。 ( 五) 能量。d t n 中的一些节点由于移动性,不容易连接到能源供应处,能 量有限。路由中的发送、接收和存储报文,以及对路由的计算,都要消耗能量。 因此,发送字节数少、计算信息量少的路由策略可以减少能量的消耗。 1 2 2 实用条件下d t n 路由面临的挑战 近年来,人们在d t n 路由技术的研究方面做了大量工作,特别是针对d t n 路由的复杂性,借鉴已有无线通信网络方面的理论和研究成果,提出了多种解决 d t n 路由问题的路由策略和路由协议,这些成果为d t n 技术的发展和应用奠定了 坚实的基础。但在许多实际的d t n 应用场景中,往往由于成本控制的考虑使得网 络内的节点分布具有稀疏性,加之其部署运行环境的复杂性、通信条件的苛刻性 和网络环境的异构性等,使得实用条件下的d t n 路由问题面临更多的挑战。 ( 一) 距离远,数据传输延迟大。在逐跳保管传送机制下,端到端的数据传 输延迟是报文保管携带延迟和数据通信延迟之和,在节点分布稀疏的d t n 网络中, 由于节点间分布距离较远,数据在传输过程中由于节点分布稀疏很难获得通信机 会,使数据长时间被“携带保管”在中间节点,造成数据传输的高延迟。 ( 二) 信道传输误码率高,丢包频繁。在实用环境条件下,无线通信数据传 输信号的强度随传输距离的增加成l t 侈, j 衰减,由于节点分布的稀疏性,使得节点 间通信时距离较远,同时无线数据传输尤其容易受到各种随机因素如天气状态( 雨 衰等) 、多径效应、电磁干扰等影响而失真,还有可能受到部署环境中其它固定 第5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 或运动物体的遮挡等,这就使得数据传输信道易出现突发错误,甚至发生异常中 断造成数据丢失。 ( 三) 网络设备处理能力弱、存储空间有限、无线传输距离短。在许多实际 的应用场景中,d t n 网络设备往往受环境条件约束,在硬件制作上无法满足大体 积、高能量储备、大容量缓存以及高性能的要求。因此,到目前为止,一些特殊 d t n 应用场景中的网络交换和路由设备的研制一直是各研究机构的研究难点。 ( 四) 网络连接的长时间间断性。在稀疏d t n 网络中,由于节点分布的稀疏 性,端到端连断开会比端到端连接更普遍,动态变化下的网络拓扑使得节点间长 时间处于断开状态,网络在部署应用中的数据传输性能可能十分低下。 以上这些问题使得实用条件下d t n 路由问题的复杂性大大增加,尤其是通信 链路的长时间断开、数据传输的高延迟、网络拓扑的动态变化使得处于实际部署 应用中的d t n 网络数据传输的可靠性更加难以得到保证,这就需要我们去深入研 究已有d t n 路由技术的优缺点,研究新的方法或机制以提高实用条件下d t n 网 络数据传输的可靠性。 1 3 研究内容与研究成果 本文主要研究工作如下: ( 一) 结合已有的d t n 路由协议,进行不同应用场景下的仿真实验,通过分 析比较各类路由协议在不同应用场景中的综合性能,研究了不同的路由策略、不 同的路由协议、不同的网络节点密度对d t n 组网性能的综合影响,并对其适用性 进行了归纳总结。 ( 二) 对消息摆渡方法在d t n 路由中的研究成果进行分析评价。结合传统的 消息摆渡方法的组网方式、节点模型、路由模式等,概括总结传统的消息摆渡方 法的基本思想,并对其在d t n 路由应用中的优缺点进行了深入分析。 ( 三) 针对稀疏d t n 网络数据传输长延迟、网络拓扑动态变化、通信链路频 繁中断、网络性能低下的突出特征,借鉴传统消息摆渡方法的研究成果,按照将 已有d t n 路由协议与消息摆渡思想相结合的思路,提出并实现了一种基于消息摆 渡系统框架的d t n 组网与路由方法一混合摆渡路由模式,有效提高稀疏d t n 网 络的数据传输性能。 ( 四) 对传统的消息摆渡方法和本文提出的混合摆渡路由模式进行模拟测试 与性能对比分析。基于0 n e 模拟器实现了基于上述模型的d t n 摆渡路由的组网、 设计并进行仿真实验,对传统的消息摆渡方法和本文提出的混合摆渡路由模式的 各项性能指标进行客观的评价。实验结果表明:在相同的应用场景下,混合摆渡 路由模式不仅能够有效提高各类d t n 路由协议的性能,在网络报文传输比、网络 第6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 丢包比和网络开销比等性能参数的表现,明显优十传统的消息摆渡路由方法,更 好地保证了稀疏d t n 网络的数据传输性能。 论文结合稀疏d t n 网络的典型特点,借鉴传统的消息摆渡方法的研究成果, 提出了一种将已有d t n 路由协议与消息摆渡方法相结合的d t n 组网与路由方法, 研究成果对d t n 在实际应用中的组网方式和网络路由协议研究具有较好的借鉴意 义。 1 4 论文组织结构 全文共分五章。本文将从分析d t n 路由问题入手,研究已有d t n 路由技术 的优缺点,针对实用条件下稀疏d t n 网络路由面临的挑战,探讨一种基于消息摆 渡系统框架下的d t n 组网和路由方式,有效提高稀疏d t n 网络数据传输的可靠 性。论文各章节内容安排如下: 第一章从d t n 网络的应用前景出发描述了本文的研究背景,分析了d t n 路 由问题的复杂性,并对实用条件下稀疏d t n 网络数据可靠性传输面临的挑战进行 了详细阐述,最后介绍了论文研究的主要内容。 第二章从d t n 路由方法出发,总结了目前d t n 路由技术的发展现状和主要 技术,介绍了人们在解决稀疏d t n 网络数据传输性能低下问题中所采取的消息摆 渡的方法,总结了消息摆渡技术应用于d t n 路由的研究成果,最后对选用的离散 事件模拟器o n e 进行了简要介绍,并提出了评估d t n 路由性能的指标。 第三章针对已有的d t n 路由技术的研究成果,选用了7 种具有代表性的d t n 路由协议,通过仿真实验,进行综合性能评估、路由策略的适用性评估以及基于 网络节点密度的网络性能评估。 第四章从传统的消息摆渡方法一直接摆渡路由模式入手,总结其基本思想, 分析其优缺点,并在此基础上,提出一种基于消息摆渡框架下的d t n 组网和路由 方法一混合摆渡路由模式,并对其进行合理性分析,最后简要分析了混合摆渡 路由模式中的摆渡路径规划问题。 第五章从全面的仿真实验入手,使用o n e 模拟器完成了稀疏d t n 网路、直 接摆渡路由模式、混合摆渡路由模式在一个具有普适性的d t n 应用场景下的模拟 实验,对比

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