（通信与信息系统专业论文）深空骨干网路由技术的研究.pdf

摘要 摘要 探月计划的成功作为中国深空探测的第一步，促进了我国未来深空探测的发 展。因此，为了实现我国下一步的深空探测计划，我们需要开展深空网络方面的 研究。深空骨干网由于具有长时延、非对称性链路、不连续的链路等独有的特点 造成了深空网络研究的复杂性。本文首先系统地介绍了深空骨干网的网络结构以 及协议栈，并分析了现有的协议在深空网络的适用性。然后我们根据深空骨干网 的特点和现有技术在o p n e tm o d e l e r 上搭建了一个仿真平台，并在此平台上主要 研究骨干网的路由协议。我们在l p d b 路由算法的基础上提出了a l p d b 算法，并 应用o p n e tm o d e l e r 对其进行了仿真，仿真结果表明本文提出的a l p d b 路由算 法取得了很好的网络可靠性和网络开销之间的折中。另外本文提出了一种能量有 效路由l a e o r 算法。仿真结果表明，此算法不仅可以大大节省能量并且采用了阈 值滤除算法后可以均衡网络中能量的消耗不均。 关键字：深空骨干网，协议栈，路由协议，最短路径，能量有效 a b s t r a c t a b s t r a c t m i s s i o no fm o o ne x p l o r a t i o n ，t h ef i r s ts t e po fd e e ps p a c ee x p l o r a t i o ni nc h i n a , h a s s u c c e s s f u l l ya d v 柚c e dt h ed e v e l o p m e n to fd e e ps p a c ee x p l o r a t i o nf o rt h ef u t u r e a st h e p r e p a r a t i o nf o rt h ef u t u r ed e e ps p a c ee x p l o r a t i o np l a n ，w em u s ti n v o l v ei nt h er e s e a r c h i nn e t w o r k sp e r f o r m a n c e t h ed e e ps p a c eb a c k b o n en e t w o r kh a st h ed i s t i n c t i v e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sv e r yl o n gp r o p a g a t i o nd e l a y ，l i n ka s y m m e 仃ya n di n t e r m i t t e n t c o n n e c t i v i t y ，h e n c er o u t i n gt h r o u g ht h eb a c k b o n en e t w o r kp r e s e n tm a n yc h a l l e n g e st h a t a l en o tp r e s e n t e di nt r a d i t i o n a ln e t w o r k s i nt h i sp a p e r , i n f r a s t r u c t u r e sa n dp r o t o c o l s t a c ko fd e e ps p a c en e t w o r ka l ef i r s t l yi n t r o d u c e dw i t ht h ea p p f i c a b i l i t yo ft r a d i t i o n a l p r o t o c o l sa n a l y z e ds u b s e q u e n t l y as i m u l a t i o np l a t f o r ms p e c i a l l yd e s i g n e df o rr o u t i n g a l g o r i a u mo nt h es i m u l a t o ro p n e t m o d e l e ri sc o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h ed e e ps p a c e n e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n da v a i l a b l et e c h n o l o g i e s a l p d ba l g o r i t h mi st h e np r o p o s e d b a s e do nt h el p d ba l g o r i t h m t h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t , w ek n o wt h a tt h e p e r f o r m a n c e so fa l p d bo u t p e r f o r mt h el p d bt oa c h i e v eab e t t e rt r a d e o f fb e t w e e n r e l i a b i l i t ya n dn e t w o r kc o s t m o r e o v e r , e n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n gl a e o ri sp r o p o s e d a n dr e s u l t ss h o wt h a ti tc a ng r e a t l yr e d u c ea n db a l a n c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n k e y w o r d ：d e e ps p a c eb a c k b o n en e t w o 咄p r o t o c o ls t a c k ，r o u t i n gp r o t o c o l ， s h o r t e s tp a t h ，e n e r g ye f f i c i e n t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指 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中所 罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得 西安电子科技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已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名；盗堕日期塑：! ：竺二 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的 复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：玺丝 刷稳名参碜一 日期丝：z ：丛 日期础：j f ! 墨 第一章绪论 第一章绪论 发射人造地球卫星、载人航天和深空探测是人类航天活动的三大领域。当前 世界上正在兴起深空探测的热潮，主要的目的是：开发和利用空间资源，发展空 间技术，进行科学研究，探索太阳系和宇宙的起源，扩展人类的生存空间，为人 类社会的长期可持续发展服务。 “神舟五号”和“神舟六号”的发射成功证明了我国在高科技领域的实力， 我国是世界上第三个独立自主地完整掌握载人航天技术地国家。月球和深空探测 是继载人航天工程之后中国航天战略的新举措，将成为2 l 世纪中国航天事业发展 的重要领域。“嫦娥一号”绕月卫星的成功发射是中国对月球探测的第一步，也 是中国航天走向深空的第一步。从探月二期工程开始，我国将展开深空探测的大 规模地面建设，逐步完善深空探测网的建设，为未来的火星探测的需求预留接口。 因此开展深空网络方面的研究是为我国下一步的计划做好准备。 在深空通信中，由于行星间极远的距离，造成信噪比低、传输时延大和抖动剧 烈，传统的t c p i p 协议在这种环境下的性能会急剧下降，带来非常大的拥塞和通 信时延，丢包率大大增加；深空通信的非对称甚至单向信道特性，也会给反馈机 制通信协议的实现带来困难；由于深空通信硬件分布和网络建设的高代价性，研 究适应于深空通信硬件条件和网络设施的网络结构以及协议是目前的热点。 我国是一个发展中国家，财力及技术力量都不允许我们像西方国家那样大规 模投入进行深空探测。因此，我们在研究深空网络时主要是结合天体知识，充分 考虑我国的地球卫星系统，深空系统的发展现状，依靠计算机仿真实验开展研究 工作。 1 1 国际深空网络发展现状 目前，国际上已经有许多组织正在进行深空探测网络方面的研究工作。国外 深空网络中，以美国航空航天局( n a s a ) 的深空网( d s n ) 最具有代表性【4 1 。美 国是最早开展深空探测的国家之一，凭借其技术优势，在2 0 世纪6 0 年代至今共发 射了几十次几十种型号的深空探测器，先后对太阳系的火星，金星，木星，土星， 天王星，海王星及其卫星进行了探测，取得了巨大的成就。而其采用的深空网 ( d s n ) 由n a s a 喷气推进实验室( j p l ) 开发并管理，是世界上最大、最灵敏的 探测通信网。 2 深空骨干网路由技术的研究 个由三十多个宇宙空间局支持的国际性组织空间数据咨询委员会( c c s d s ) 0 1 二十多年以来已经研究出一系列基本的深空通信标准，并被世界宇航通信界广泛 采用。“勇气号”和“机遇号”火星探测活动中均采用此标准。 为了将c c s d s 在空间通信标准化方面的工作成果与地面因特网技术相结合，使 地球上的因特网能够延伸到地球以外，从而能够在行星间、多网络环境下实现端 到端通信，美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 资助喷气推进实验室( j p l ) 进行 了有关“行星际互联网”( i n t e r p l a n e t a r yi n t e r n e t ，i p n ) “技术体系方面 的研究。行星际互联网就是一种通用的空间网络架构，定义为深空行星网络、过 渡轨道器网络、地球网络等的互连，旨在为深空任务提供科学数据传递的通信服 务及探测器和深空轨道器的导航服务。n a s a 的火星观测计划( m s m ) 建造的火星网开 发了火星轨道上的通信和导航卫星星座，用来支持未来火星探测中通信和导航的 需要。该网络由低成本小卫星以及火星中继卫星组成，是i p n 最先实现的组成部分。 另外，时延容忍网络研究小组( e r r n r g ) 。1 提出了空间地面协议栈：时延容忍 网络( d e l a y - t o l e r a n tn e t w o r k ，d t n ) 7 - 1 1 ，即高度整合最优化区域协议栈。该 协议栈主要是依靠中间层：集束( b u n d l i n gp r o t o c o l s ) 层“o 。该层位于应用层和 低层之间，通过类似e - - m a i l 的存储转发机制解决深空通信中存在的间接性连接、 大时延和剧烈抖动、非对称数据速率以及高误码率等问题。这种网络也可以应用 到地面无线通信网络，如军用a dh o c 网络和用于海洋等自然环境的勘探网络。 美国m e r 通信系统采用的网络协议栈包含：数据传输层( d a t ad e l i v e r y l a y e r ) 、传输层( 采用c c s d s1 t cp a c k e t ) 、链路层、物理层。其中数据传输 协议分别采用c f d p ( c c s d sp i l ed e l i v e r yp r o t o c 0 1 ) 埘和s c p s 例( s p a c e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a n d a r d s ) 协议。该网络成功地进行了多用户数据双 向传输，但是该网络不包括集束层，不能很好解决深空通信中由于时延大和非对 称码率等特征而引起的网络传输问题。在2 0 0 6 年发射的积0 中，其网络系统将在协 议栈中加入集束层协议，构建更高效、更灵活的网络结构。法国航天局于2 0 0 7 年 针对火星发射一个遥感卫星和四个小型着陆器，其网络框架也采用基于c c s d s 的 d s n 协议栈。 由美国宇航局、欧洲航天局和意大利航天局联合研制的“卡西尼一惠更斯”探 索器，在2 0 0 4 年登陆土卫六进行探测，地球站有1 7 个，采用类似于d t n r g 托管转发 ( c u s t o d yt r a n s f e r ) 协议来进行网络数据传输。 1 2 深空网络网络结构 深空探测需要在行星和地球之间进行大量的信息交换，以美国火星探测为例， 其信息交换遇到的挑战是可变的超长光时距离、可变的超长传输时延、大窗口、 第一章绪论 3 低s n r 及各种干扰形成的高误码、高速的相对移动以及收发带宽( 数据率) 和收 发链路的不对称、不固定的通信基础设施架构、行星距离对信号强度的影响和协 议的设计、通信硬件和协议设计受功率质量尺寸和成本制约，以及为节约成本的 后向兼容性要求等。虽然空间数据咨询委员会( c c s d s ) 研究并制定了在深空通信 中可使用的深空网络d s n 协议，但随着深空通信的发展，d s n 协议已不能满足需求， 且应用层文件传输协议c f d p 对深空网络也不是最优化的。 为了建立能结合不同的挑战部分的一个全面的空间网络结构，i p n s i g “给出 的深空网络结构如图i 1 所示：它将深空网络分成星际骨干网络、星际外部网络和 行星网络”1 。 苴它行星 星际骨千网络 1 i 行星p 甏鲁 j 图i i 星际网络结构 星际骨干网络。它提供地球、其它行星、月球、卫星和处于行星稳定拉格朗日 点的中继卫星之阅通信的基本设施。包括了具有长时延能力的元素间的数据链 路( 直接链路或者多跳路径) 。 星际外部网络。它包括在行星间以群飞行的飞船，一簇传感器节点，一组空间 站等。星际外部网的某些节点也具有长时延通信能力。 行星网络。行星网络由行星卫星网络和行星表面网络组成。如图1 2 所示。这 种结构可以在任何一个行星表面布设，它可以提供卫星和行星表面元素间的互 连和合作。 区域l 区城2 图l2 行星网络结构 j 行星卫星同路 j j 德面f 潞 j 4 深空骨干网路由技术的研究 行星卫星网络。行星卫星网络包括了轨道卫星之间的链路以及卫星和地面 的链路。它由多层的卫星构成，如图1 2 所示。围绕行星运行的卫星不仅 可以提供地球和外部行星之间的中继服务，还可以提供行星表面元素的通 信、导航和管理。地面上某些设备可以与卫星通信，它就可以将本地的拓 扑信息上传并可以接收卫星发来的数据和命令。 行星表面网络。行星表面网络不仅由可以和卫星通信的大功率设备组成， 也包括了地面上不能与卫星进行通信的无线网络。例如以群分布或者以a d h o c 形式分布的传感器节点。 图1 1 ，1 2 中的i p n 网络结构被分为了不同的子网络，每一个子网都有不同的 特点和设计要求。因此，我们需要一个共同的协议栈来整合不同的网络并将地面 因特网扩展到深空中。同时它也留有扩充开发的余地以适应于每个子网独特的环 境。 1 3 现有协议的适用性 1 3 1t c p i p 协议性能分析 随着t c p 1 i 协议栈的广泛应用和成熟，人们很自然地想把i n t e r n e t 成功的体 系结构概念应用到其它新的环境。基于i n t e m e t 的t c p p 运行的一个基本规则是 通过串联不同链路层技术提供端到端的通信，端到端的连接性由口协议标准化和 在路由器上映射至链路层数据帧来实现。 传统的基于滑窗和a c k 触发拥塞控制机制的t c p 协议，尽管未明确说明，但 关于下层链路整体性能存在一些重要的假设前提：在数据源和目的地之间存在一 条端到端路径：网络中任何节点对路径之间的最大往返时间不是很长( 毫秒级到1 秒之间) ；端到端路径上丢失概率很小。所以t c p i p 协议在现有的互联网中具有 很好的效率，但深空通信网络环境不同于地面，在通信协议设计中应考虑传输时 延大、信号电平弱、信道噪声大、多普勒频移大、通信频繁中断等问题，往返时 延( r z 丁) 的增加直接导致传输速率和链路利用率的两方面性能的下降。目前，关 于长时延和高误码率的拥塞和速率控制研究大多是以地球同步卫星轨道链路环境 来进行的【1 “6 】，而这些链路的r z 丁( 大约为5 5 0 毫秒) 远比深空通信链路r t 小。 t c p 协议不适用于深空通信环境，主要体现在下述几方面1 2 6 ： 由于t c p 协议要求发送双方先进行协商再建立t c p 连接，至少要经过一次往 返延迟之后才能真正开始应用数据传输，如果往返时延大于通信持续时间，那么 应用数据根本没有机会得到传输。 第一章绪论 5 t c p 协议采用g o - b a c k - n 的a r q ( a u t o m a t i er e p e a tq u e u i n g ) 过程来保证所传 信息按照顺序传输，因此任意一段数据的丢失都意味着之后所有的数据都要重新 发送，这在信息延迟很大、信息差错概率较高的深空环境中会降低信息传输效率。 t c p 协议处理数据丢失和网络拥塞的策略决定了其吞吐量随着往返延迟、信 息丢失概率的增加而降低。 发送与接收信息速率的不对称对t c p 的吞吐量也有不利影响。 由于t c p 协议是基于端到端重传的协议，只有信息正确到达接收端后，发送 端才能释放用于重传的通信资源。而因信息传输不可靠导致重传后，资源的保留 时间会进一步延长。这对存储容量、处理能力有限的航天器不合理。 目前地面因特网的路由协议按照分级方式实现，自治系统之间通过边界网关 协议( b g p ) 进行寻址；而在自治系统内部则通过o s p f 、i s i s 或e i g r p 等路由协 议进行寻址。另外，这种分布式路由算法对状态信息更新时间间隔的预测准确性 很敏感，而深空通信环境很难对时间间隔做出准确预测。 可以从t c p _ r c n 0 1 1 7 的稳定状态流量模型推断出在流量方面r 7 丁的作用，近似 的公式如下： t = ( 1 - 1 ) 其中t 是吞吐量，p 是丢包率，瓦是初始重传超时器的值，r z t 是往返时延。 图1 3 稳定状态模型时流量与时延r t t 关系【l ” 图1 3 所示为t c p r e n o 模型的吞吐量分析结果，网络仿真条件为：丢包率为 p 5 1 u ，往返时间尉t 采用对数坐标l o - 3 到1 0 3 秒之间变化。从图1 3 中可以看出 t c p 的吞吐量r t t 成反比，并随r z 7 的增加呈现出急剧下降的趋势。例如当 r t t = 1 0 0 0 秒( 大约1 6 7 分钟) ，吞吐量只有3 0 8 b s ( 每个数据包为1 k b ) 。事实上， r t = 1 6 7 分钟也属于深空通信网络r 玎值范围内( 火星到地球的翮t 范围从8 到 6 深空骨干网路由技术的研究 4 0 多分钟之间) 。从图1 3 可以验证出t c p i p 协议栈在星际网络上表现出极差的 性能，我们必须研究适合于星际网络特点的网络传输协议。 1 3 2c c s d s 建议的适用性 目前国际航天任务所采用的c c s d s 建议主要是分包遥控，分包遥测和高级在 轨系统( a o s ) 建议，这些建议包含了数据链路层和网络层，但都假定数据传输的 路由是静态的，可以在任务前配置好，因此其数学格式的设计几乎没有考虑动态 路由选择的要求，无法适应未来深空通信环境。 c c s d s 对这些建议进行了修改，允许在网络层使用i p v 4 和i p v 6 数据包，同时 参考地面i p 技术开发了一套涵盖网络层到应用层的空间通信协议规范( s c p s ) 。 包括网络协议( s c p s n p ) 、安全协议( s c p s s p ) 、传输协议( s c p s t p ) 和文件传 输协议( s c p s f t p ) 。 与i p 协议相比，s c p s - n p 的改进主要体现在以下几点嘲： 提出了四种不同长度的导头供用户在效率和功能之间进行取舍； 借鉴a o s 的路径业务，提供由管理机制建立的连接； 除基于路由表的寻址方式外还提供泛洪寻址方式，即向所有相邻节点转发 数据，以提高数据到达目的地的概率； 与因特网控制信息协议( i c 肝) 相比，s c p s 控制信息协议( s o a p ) 增加了由 于信道质量造成链路中断的信令信息。 s c p s - t p 在综合t c p 协议、u d p 协议功能的基础上进行了改进，提供三种传 输服务：可靠传输( 等同t c p ) ，尽力传输服务( 在操作环境较好时提供类似t c p 的 服务，而当操作环境恶化时用户也可以选择接收不完整的数据) ，不可靠传输( 等 同u d p ) 。s c p s t p 的改进主要体现在以下几点： 在t c p 的控制逻辑基础上增加由于信道质量造成数据丢失的响应策略： 在g o - b a c k - n 的a r q 过程基础上提供选择重传( s n a c k ) 机制，即仅要求 重传未收到的那部分数据； 提供导头压缩功能，降低协议开销： 对重传窗口大小、重传时间间隔的设置进行改进，使之更适应较长的信息 传输时延； t c p 的发送速率受接收的确认信息调节，因此发送与接收信息速率不对称 时对其吞吐量影响严重。而s c p s 2 t p 使用“漏桶”速率调节机制，使位于同一主 机、使用相同路由的用户可以共享该路由的带宽，并能限制确认信息的发送频率， 从而更适合在发送与接收信息速率不对称的环境下工作。 与地面因特网协议相比，s c p s 增强了对深空通信环境的适应性，但仍存在下 第一章绪论 7 述问题； s c p s 并未提出基于路由表寻址方式的具体路由算法，而泛洪寻址方式在 通信资源非常珍贵的深空通信环境中是否可行很值得怀疑； s c p s - t p 的可靠传输依然是采用先建立连接再传送数据的模式，如果往返 延迟大于通信持续时间，那么应用数据仍然没有机会得到传输； s c p s 哪虽然提供了选择重传机制，但这仍然是基于端到端的重传，并没 有改善发送端与重传相关的通信资源保留时间问题。 根据以上分析可以看出，主要是路由协议和传输可靠性保障方式限制了在深 空通信环境中应用现有协议，即使路由应用过程保障传输可靠性，类似的问题依然 存在。因此，必须采用新的思路来构造深空通信中的网络技术。 1 4 深空网协议栈 如上所述，深空网络可以分成星际骨干网、星际外部网和行星网三个不同类型 的网络，彼此间需要通信，为适合它们内部的通信需求应有不同的通信协议。研 究一个通用的协议栈用于整合各个不同类型子网是发展的趋势。 尽管现在采用c c s d s 的协议栈可行，但通信协议栈应能适应于各种不同的环 境变化，并且需要协议能够高度整合最佳化的区域网络协议栈。因此，容忍延时 网络研究组( d t n r g ) 在c fp 的基础上提出了逐跳传递、每跳差错控制的d t n 协议 栈。目前集束协议体系结构与c f d p 在以下几个关键方面有所不同： 集束协议不仅限制于文件传输，它实际上可以处理任何端到端的空间通信等应 用，而最终c f d p 也将成为这些应用之一： 集柬协议的内部功能分层化优于c f d p ，因而利于进一步发展； 集柬协议将提供更加完善的应用服务，包括实现比c f d p 所能达到的更加成熟的 传输能力。 深空通信中逾面段、地空段以及航天器可能采用不同的网络技术，而每种网 络技术都最适合特定的应用环境。考虑到不太可能有适合所有应用环境的网络技 术，d t n 参考地面因特网技术思想，在各种网络技术的传输层之上提供“覆盖” 协议，从而构建“互联网的网络”( n e t w o r ko fi n t e r n e t s ) 。在这种体系结构下，采 用同一种网络技术的网络节点构成“域”，而域之间通过d t n 网络连接，在域内的 信息传输及可靠性保障由域内的网络技术完成，而域间的信息传输及可靠性保障 由运行在d t n 网关上的覆盖协议来保障。由于不同域内网络的传输层提供的服务 有差异，d t n 可能需要“集束层”来专门处理与特定协议的接口细节。 为了适应信息传输时延可能比通信还要长的操作环境，d t n 网络以。存储转 发”技术为基础，尽量避免端到端地交互各种辅助信息。为此d t n 将被传输的应 8 深空骨干网路由技术的研究 用数据与相关辅助信息放在一起组成“消息”( 或称为b u n d l e ) 同时传输，这样就 减少了在正式传输数据之前发送、接收双方先交互辅助信息建立连接地过程。这 种设计思想在其命名规则、安全策略中俱有体现。在d t n 体系结构下，假定地面 段采用因特网技术、地空段采用c c s d s 建议的情况下从地面到航天器的端到端协 议栈如图1 4 所示： 图1 4 采用d t n 协议栈通信的示例 d t n 网络主要针对的是深空瞬络的特点，其目的就是高度整合最优化区域协议 栈。它采用与电子邮件相类似的存储转发模式，在这种模式中，数据( b u n d l e s ) 沿 途被路由器保存，直到下一次转发链路建立为止。这样发送端无需得到接收端的 应答确认，而是由中间节点负责将数据送往目的地，因此这种策略适用于具有非 连接特性的星际通信环境。该协议栈的功能主要是依靠位于应用层和下层之间集 束层来完成的。协议栈结构1 6 】如下图所示： 图l5d t n 协议栈 第一章绪论 9 集束层提供集柬路由、集束托管传输、集柬端到端可靠、集柬认证、集束加 密等多种服务，这些服务正在发展和完善之中。虽然集束层可以使得针对于不同 网络的底层协议得到优化，我们仍然需要研究底层的各个协议来为集束层提供更 好的服务和支持。d t n 的协议栈只是给出了一个框架，并没有具体的底层协议。因 此我们设计的协议栈，分别从各种不同的子网来研究星际网络的协议。我们主要 的研究重心在星际骨干网的路由协议，如下图所示。我们研究星际网络的网络层 的协议设计，提供一个软件仿真平台，为完善集束层的功能提供支持。 图1 6 d t n 协议栈 下图是d t n 集束层提供托管转发的详细过程：由初始的源节点应用层提出申 请，后继节点的集束层都要提供托管转发。在某个节点的集束层托管器 ( b u n d l e - l a y e rc u s t o d i a n ) 给下一个节点发送一个b u n d l e 时，它请求一个托管转发 并且启动一个重传计时器。如果下一跳节点接受托管，则返回一个a c k 。如果当 计时器结束时没有受到回复，则重发这个b u n d l e 。 -坩so哪de矾jna锄 嗽 两州例 旦l c 嘞d i 曲c u 畦“啦m ：l a 鼍掣 te 嚯岁 e 葺 ；l “c t 哥 il il 斗 ；： 蚌臼p _ _ 由眦或吨- 一lc l 喇y 慵懈钾啊机鹏 c t c 嘲嘶扪啊喃a 自可一o b 即期m _ r 柑科h 掣向帅t 图1 7 托管转发的过程【7 】 一l l 1 0 深空骨干网路由技术的研究 1 5 本文主要研究内容 本文将从理论研究入手研究深空通信的体系结构和相关协议，对其进行性能 分析和比较，并在此基础上研究适合于我国深空探索的通信网络及其体系结构， 为我国建立自己的以星际通信网为主体的深空通信做好理论准备。由于深空通信 具有极长的传播时延、高误码率、非对称信道和间歇性通信等特点，如果直接利 用传统地面t c p i p 协议族将会带来非常大的拥塞和通信时延，网络性能急剧下降。 本文内容主要分为以下几部分： 第一章是绪论，介绍了本课题的研究意义和研究方向并介绍了发展趋势。介 绍了深空网络的体系结构以及现有协议的适用性，并主要研究了深空网的d t n 协 议栈。 第二章我们主要研究了深空骨干网的路由协议，介绍了一般的最短路径 d i j k s t r a 算法以及在时变网络中的改进算法，详细说明了我们提出的a l p d b 算法。 第三章我们主要研究了能量有效的路由。首先证明了在我们的网络模型中， 数据传输所消耗的能量与通信距离半径的平方成正比，然后据此提出了l a e o r 路 由算法。 第四章对提出的路由协议在网络仿真工具o p n e t 上进行了仿真和分析。首先 构造了协议在o p n e t 上实现的网络模型，节点模型和进程模型，我们根据深空骨 干网的特点在o p n e tm o d e l e r 上搭建了一个仿真平台，然后在其上对路由算法 a l p d b 进行了仿真，将其结果与l p d b 进行了比较，得出了结论：提出的a l p d b 路由算法取得了很好的网络可靠性和网络开销之间的折中。另外，我们仿真了能 量有效路由l a e o r 算法，发现采用了阈值滤除算法后可以大大均衡网络中能量的 消耗不均。 第二章深空骨干网可靠性路由研究 第二章深空骨干网可靠性路由研究 2 1 深空骨干网路由 深空探测通信系统不同于现有的地基测控系统、天基测控系统、遥感地面接 收站和卫星通信站，有着自己的特点和特殊技术问题，由于通信的距离很远，所 以与此相关的技术问题总是处于测控通信技术发展的最前沿，在建设深空探测系 统以前，应对它的特点进行研究，比较它与现有系统的区别，抓住其特殊的、主 要的技术问题，有重点地开展研究工作。 为了实现深空网络中任意两点之间端到端的通信，根据星际网络的结构，路 由需要分两步：首先是行星网络内的通信，其次是各个骨干网节点之间的通信。 如图2 1 所示。 图2 i 星际路由 星际骨干网络包括行星卫星，探测器的发射，以及在行星的拉格郎日引力稳 定点的中继站的布置。“拉格朗日点”是处于两个大天体所组成的相对运动系统中 受力平衡的点，分别由l 1 至l 5 组成。l 1 、l 2 和l 3 在两个天体的联线上，为不稳定 点。如一个物体在这些点上稍微挪动一下，就会离去，不再复位。l 4 、l 5 是稳定 点。一个物体在此点上稍有移动，不会脱离，而是绕这个点作往返摆动，为此， 它又称作拉格朗日平动点。处于行星的l 4 、l 5 拉格朗日点的物体即使受外界引力 的摄扰，仍然有保持在原来位置处的倾向稳定并且与行星的相对位置保持不变， 分别与两个大天体构成等边三角形。如图2 2 所示。 自1 9 7 8 年第一颗拉格朗日点卫星国际探测者三号发射成功开始，近十几年来， 拉格朗日点已经成为观测空间天气，太空环境、宇宙起源等的最佳位置。我们设 计的星际网络包括分别处于每个行星的l 4 、l 5 拉格朗日点的中继节点。骨干网由 于距离遥远，误码率大，直接进行传输的效率相当低下，而引入中继节点后，我 们可以大大提高数据传输的速率。 深空骨干网路由技术的研究 图2 2 拉格朗日点 发展星际网络的另外一个重要的环节就是设计行星网络。设计行星卫星网络基 本可以参照目前地球的卫星网络所采用的技术；设计行星的表面网络则需考虑到 他们自身的物理限制( 大小，重量，能量) ，适当采用新的物理层技术，如低功耗 的红外技术进行通信。可以说，与骨干网相比，行星网络的设计相对来讲要简单 一些。 2 1 1 深空骨干网路由所面对的挑战 在深空通信环境下，骨干网由于具有下述一些特点旧造成了深空网络的路由技 术的与众不同的问题： 信息时延非常大，长达几十分钟甚至数小时量级。比如当地球和火星距离最近 时它们之间的通信时延约为4 分钟，而当处于最远距离时可以超过2 0 分钟。而 且每次通信的持续时间可能小于信号传播的时延。信息时延包括信号传播时 延、发送时延以及在中间节点的排队时延，因此无法保证是恒定的。 间断性的连接，指本地节点和远端节点能够建立和维持一个连续通信路径的能 力有限。现有的d s n 使用了三个地面上的7 0 米天线来支持深空通信，这三个地 面站分别位于美国加利福尼驻州，西班牙马德里和澳大利亚堪培拉，地心角相 差1 2 0 度保证地球的旋转不影响视距传输。但是，在近期以及一般的通信场景 下，由于星体的遮蔽造成的通信链路中断还是不能避免的。轨道遮蔽现象如 图2 3 所示。 图2 3 行星的遮蔽 第二章深空骨干两可靠性路由研究 1 3 发送与接收的信息速率不对称，有时甚至只有单向信道。现有的网络大多是对 称信道，除了a d s l 和d i r e c p c 。然而a d s l 和d i r e c p c 的数据传输非对称率约为 1 0 0 1 ( 1 5 4 4 m b p s 接收，1 6 k b p s 发送) 和1 5 ：1 ( 4 0 0 k b p s 接收，2 8 8 k b p s 发 送) 。而深空网络中可以达至l j l 0 0 0 ：l 甚至更高。 信息在传输过程中极易发生错误。对于一个给定的数据率，编码方式和调制方 式，接受信号的信噪比s n r 与解码信息流的误码特性呈现一一对应的关系。与 光通信可以达到的1 0 。1 2 到1 0 。1 5 的误码率相比，深空通信通常只能达n l o - 1 的未编 码误码率。通常采用( 7 ，1 2 ) 的内部卷积码和2 2 3 ，2 5 5 的r s 外部码可以将误 码率降低到1 0 。或更低。 地面段、地一空段以及空间中可能采用不同的网络技术，必须实现不同网络间 的互操作。 受航天器运动的影响，地面站与航天器之间的联系是间断性的。 深空通信资源非常珍贵，航天器的存储容量及处理能力都非常有限。 2 1 2 深空骨干网路由分析 骨干网由于具有时延长且可变、链路不可靠，误码率高等特点，交互性的协 议不适合深空网，因此，路由协议要尽量减少节点之问的信息交换，并且骨干网 的路由算法要能容忍长的时延，并具有持久性的存储器来保存分组。另外，由于 在星际网络中每一个行星的位置都可以准确定位，因此我们使用位置信息可知的 路由算法。 2 1 2 1 深空骨干网图论模型 星际骨干网从图论上被建模为一个时变图：a t = ( y ，e ( r ) ) 。其中，是移氘 厨d 随时间变化的边。g f 可以表示为g r = g 1 ，g 2 ，j z 。g ；称之为一个子图。每一个 子图稳定的时间为a t , ，g 。重复的周期称之为一个拓扑周期。 图中的骨干网节点由行星以及绕行星运行的卫星和行星表面的基站组成，它 们共同组成一个自治系统，其路由协议可以参照地面因特网和a dh o c 网的路由协 议以及使用卫星覆盖来解决。因此可以将其抽象为一个节点，并且这个节点的在 任意时刻的位置可以根据星历表来获得。 此时变图中的链路按照如下方式定义：将太阳系系统看作是一个以太阳为中 心的线性矢量空间，节点u 在时刻f 的位置可以表示为乏( f ) ，如果存在( f ) o 满足下 式，则节点v 称为节点u 的邻节点。 亏p + o ) ) 一乏9 ) l l = c p ) ) ( 2 1 ) 1 4 深空骨干网路由技术的研究 其中c 是光速，( f ) 是h ，v 之间可达的距离门限。如果传输时延可以被省略 的话，则上式表示在f 时刻位于位置乏( f ) 的节点h 发出的信号可以被在f + - a ( f ) 处于 位置瓦( f + ( f ) ) 的节点v 收到。每一个骨干网节点都可以获取到自己的邻节点信息。 邙+ 厶絮 枷弋枷， 。t j j f 图2 4 链路的定义 2 1 2 2 常见算法在深空骨干网的可用性 首先我们来分析常见的先验式路由和反应式路由在深空骨干网是否适用。在 先验式路由协议中，路由是自动建立的并且路由建立与分组到达过程相互独立。 大多数i n t c m c t 标准协议以及某些a dh o c 网络协议如d s d v ，o l s r 都是这种协议。 先验式路由协议可以很好地应用在深空网络的一个子图中，但对于网络不连通的 情况却无能无力。尽管如此，先验式路由协议依然可以用来提供现在网络中可达 的节点信息，这对于下一跳节点的选择是很重要的。而在反应式路由协议中，每 当有数据需要传输到一个未知的目的节点时，节点按需的发起路由寻找过程。a d h o c 网络中的a o d v 和d s r 协议都是这种协议。当通信网络相当稀疏时，这种协议 的性能良好。对于深空网络，和先验式路由协议一样，这种协议可以很好地应用 在深空网络的一个子图中。但由于按需的发现路由，反应式路由协议的时延会更 大一些。在骨干网内部可以使用这两种路由协议来寻找路由，但是这两种路由协 议都不能够提供网问的路由协议。 其次，源路由算法节点在源节点计算出整个的路径并将其编码存储在数据包 中，因此，一旦路径定下后在后面的传输过程中就不会再改变。与其相反，每跳 路由中，下一跳节点总是沿着传输路径每跳决定的。它可以充分利用本地的关于 链路状态的信息，而源节点一般获取不到这些信息。因此，每跳路由的性能更好 一些。 一般情况下，路由算法的目的就是选择最小路径的路由，例如跳数、时延或 者成本最小。我们可以采用多种算法来完成最短路径路由，如b - f 算法，d i j k s t r a 算法，但是这些算法都是基于静态网络的。深空骨干网络的路由是深空网的关键 问题，我们采用的大多都是基于改进的d i j k s t r a 算法。d i j k s t r a 算法是一种典型 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 第二章深空骨干网可靠性路由研究 的最短路径。通过对路径的长度进行迭代，从而计算出到达目的节点的最短路径。 其基本思想是按照路径长度增加的顺序来寻找最短路径。 在计算路由时，对于网络信息的了解越多，计算出来的路由越优化。部分信 息的了解将导致次优的路由。这些信息包括链路的通断时间，排队时延和通信量 要求。根据对网络了解程度的不同，d t n 路由算法可以被分为下面几类 2 2 1 ：1 ) 完 全未知；2 ) 部分了解；3 ) 完全了解。 下表是根据对网络了解程度不同，不同的路由算法以及这些算法所采用的措 箍。 表2 11 ) t q 路由算法分类 算法名称 对网络的了解程度算法实施 f i r s tc o n t a c t ( f c )完全未知随机选择下一跳 m i n i m u me x p e c t e dd e l a y部分了解 d i j k s t r a 算法，c o s t 为平均 ( m e d ) 值常量，主动源路由 e a r l i e s td e l i v e r y ( e d ) 部分了解 改进的d i j k s t r a ，c o s t 为时 变的，不考虑排队时延 e a r l i e s td e l i v e r yw i t h 部分了解 改迸的d i j k s t r a ，c o s t 为时 l o c a lq u e u e ( e d l q ) 变的，考虑本节点排队时 延 e a r l i e s td e l i v e r yw i t h 部分了解 改进的i ) i j k s t r a ，c o s t 为时 a l lq u e u e ( e d a q ) 交的，考虑所有节点的排 队时延 l i n e a rp r o g r a m ( l p ) 完全了解 对计算和空问资源要求 过高，暂时无法实现 从上述的表中以及研究结果中我们得到结论，在这些路由算法中，e d l q 算法 在实现难易程度和性能结果中综合性能良好，既考虑了网络中主要特点，在实现 上又不像e d a o 和l p 算法那么复杂，并且从路由结果中发现，基本上可以找到最 优路径。因此，我们的路由主要采用的是e d l q 路由。 2 2a l p d b 路由算法 虽然行星的位置是可预测的，但是由于一些不可预测的因素导致的链路中断 仍然大量存在，如太阳风暴、小行星以及其他行星引起的遮蔽现象、功率变化等 等因素都会导致链路的中断。因此，我们需要采用措施来保证数据的可靠传输， 特别是针对于非常有价值的科学考察数据，我们希望数据尽可能可靠的传输。常 1 6 深空骨干网路由技术的研究 见的空间信息的数据包括如下三类：1 ) 命令分组；2 ) 网络状态分组；3 ) 科学数 据分组。不同类型的数据分组对于时延敏感性以及可靠性的要求不同。 表2 2 数据类型分类 数据类型实时性要求可靠性要求分组大小 命令分组高 一 局小 一 网络状态分组局 由 中 科学数据分组低最高 大 论文【2 5 】针对于深空网络中不同数据类型提出了不同的路由算法。论文中的 l p d b 算法是针对其中第一、二种数据类型、可靠性要求不是非常高的数据提出的 广播式的路由算法。我们在l p d b 的基础上提出了a l p d b 算法，它不仅能适用于前两 种数据类型，并且对第三种可靠性要求非常高的数据类型也同样适用。 要实现数据的可靠性传输，通常采用的方式有两种：冗余的传输和采用准确 的路由信息。在深空网络中，无论我们如何可以预测网络拓扑，都存在不可预测 的链路中断情况，因此采用冗余传输是深空骨干网保证数据可靠传输的唯一方法。 a l p d b 算法就是将最短路径算法与冗余传输方式结合起来，使数据不仅可以沿着最 短路径快速达到目的节点，而且如果此链路出现中断，数据也可以在其他路径上 到达目的节点，而不会丢失分组。 在a l p d b 算法中，我们的冗余传输采用定向泛洪的方式。在定向泛洪中，天线 的开口大小控制了数据分组在网络中泛洪的范围，同时也确定了网络开销的大小。 开口越大，