2020年空间信息网络DTN互联方法研究论文.doc

空间信息网络DTN互联方法研究论文 当前通信网络的应用范围飞速扩展，地面有线网、地面无线网、空间卫星网均已成为承载网络，信息在传输过程中可能会经历几种不同的网络环境，端与端之间的通信不再是单一的协议形式而空间网络通信的主要挑战于链路误码率高、传输时延长、上下行带宽不对称、链路可用时间有限、拓扑变化频繁等，此外不同空间位置（远地链路、星间链路、星地链路等）的通信子网也有很大的性能差异，使其难以实现传统地面网络技术所达到的及可靠性要求，要想使其成为未来网络系统的一个重要且可靠的组成部分，则需要针对以上挑战设计有效的协议体系目前面向空间网络的协议主要分为类：协议体系、协议体系、与结合的协议体系、协议体系基于的协议体系相比其他体系，在空间网络环境下具有更好的性能和可扩展性，被作为空间网络互联的发展方向随着天地一体化的发展，基于的空间网络与基于的地面网络的互联问题亟待解决，本文面向此问题提出环境下异构协议网络互联的设计方法，并通过半物理仿真实验对其性能进行分析 相关工作 目前很多针对空间网络异构性的研究面向改进传统的协议，使之适应空间通信的特点，但这些工作未实现根本机制的改变，所实现的性能改善程度有限文献在地面节点上实现了互联卫星网和地面网的功能，但没有考虑到卫星网中的间断连通特性空间网络的一个根本特点是链路通断切换频繁，必须以的角度展开设计，文献设计了面向的协议适配网关，但主要面向各种版本协议的兼容为了促进的快速部署以及与传统网络的互联，提出了方案其核心思想是在网络中优先采用技术，只有当数据通过受限网络或者网络出现链路中断时才将包封装到的包中，由继续完成数据的传输这种方案的优点是既可以利用技术在受限网络环境下保证数据的可靠传输，又不用牺牲技术的高效性和兼容性，但由于将包直接封装到包中，这种方案有较大的开销本文的异构协议互联方法则采用协议代理方案实现空间节点上的网关及协议转换功能该方案不仅开销小，而且突破了网络对传统应用的限制 协议代理方案 空间异构协议互联方法在客户端和服务器端使用标准的协议栈，在网络与网络的交界处由网关实现协议与协议间的转换的核心思想是在应用层与下层之间引入“层”作为连接不同网络的覆盖层层可以通过汇聚层适配器（如适配器、适配器等）在网络之上传输流量，从而实现网络与网络的互联应用层协议需要基于层接口进行重构，但目前传统应用所提供的功能在这种协议体系下还不够成熟为了实现协议与协议（卫星链路对数据传输的影响主要体现在协议）的转换，需要定义一个合适的映射协议，解决应用协议负载的传递、地址映射、传输可靠性等问题以下是协议代理中实现的主要功能：）欺骗：客户端的网关会伪装成服务器与客户端建立并维持连接这需要客户端将网关设置为代理服务器或者直接将网关设置为默认网关另外还要在网关上设置需要代理的协议，并监听相应的端口）地址映射：端点和应用可以用端点号（）来标识，本文所使用的格式为：应用协议名：地址传输层协议端口号例如，地址为的客户端的应用的为：当客户端应用第一次与网关建立连接时，网关按照这一格式自动根据源和目的地址、应用协议名、传输层协议、端口号等信息生成相应的源和目的，并且在该网关的层中为代理的客户端应用注册而靠近服务器方的网关则采用后绑定的方式在层中注册该目的，从目的中解析出应用协议名、服务器地址、传输层协议和端口等信息，主动与服务器建立连接）应用数据的封装和解封装：已经在协议中注册的应用可以使用协议提供的服务发送和接收数据当收到普通应用发过来的数据时，代理需要从协议中取出应用数据，然后调用协议服务，把应用数据封装成包发送出去当代理收到协议交付的数据时，会从相应的连接把应用数据发送出去此外，在调用协议的服务时，需要提供的处理控制参数，指定所要提供的服务，如是否允许分片、是否需要托管传输、是否需要状态报告等这些参数需要代理根据应用的特点以及预先配置的规则决定 空间转发节点设计 采用异步通信模式（类似），通过路由转发包以实现源节点到目的节点的信息传输的层处于应用层之下，但下层不一定是传输层，也可以是链路层这种结构可以实现任意下层协议栈网络间的互联在托管模式下，路由通过将交付责任委派给下一个有能力交付的路由来确保数据的可靠传输可以通过状态报告传送数据交付过程中的状态信息，如中间路由的转发和托管信号以及目的节点的交付信号针对空间通信的特点提出了一系列链路层协议，在图所示的空间转发系统架构中，采用作为链路层协议，可用于空对空、空对地和地对空的通信链路中，在链路上实现数据报的携带、建立路由、交换和空间网际元素的管理等，使空间和地面采用一致的网络协议，实现天基网络与地基网络的无缝连接；采用作为传输层协议，与协议和协议保持良好的兼容和互操作性；在地面站以及星上局域网中则采用标准的协议栈转发节点的具体设计如图所示，协议代理包括个模块：管理、路由、链路管理、汇聚层适配器和邻居发现其中管理实现了协议的核心功能，包括封装、注册、保管传输、分片与重组、冗余等；考虑到卫星都按规划的轨道运行，星间、星地间的连通性可以推导出来，故路由模块实现了静态路由和接触图路由；邻居发现模块用于发现周围邻节点；链路管理模块利用邻居发现模块提供的接触信息来管理链路有效性信息；汇聚层适配器利用汇聚层的服务发送和接受包进程中添加的本地协议代理模块实现了传输层代理的功能，包括过滤、传输层欺骗和自动注册等使用本地代理前，需要先设置过滤条件，转发节点起到网关的作用，会将符合过滤规则的包提交给上层，经过传输层提取出数据，然后交给本地代理，本地代理根据传输层协议以及端口号区分不同应用，自动为它们注册注册成功后，应用的数据会直接交给协议代理，由协议代理对数据进行封装、发起托管传输，当包到达目的端网关节点时，本地代理会自动为目的节点应用在目的端网关上进行注册，注册成功后，网关发起交付规程将数据从包中解封并交付给目的节点 半物理仿真与验证 实验场景设置 半物理仿真的目的是用真实的应用验证互联方法的功能，其实现基于的系统在环（，简称）模块，提供物理网络与仿真网络连接的接口，通过真实数据包与虚拟数据包格式的转换来完成数据包在真实网络与虚拟网络间的流动图为半物理仿真场景图，总共使用台计算机，和分别运行的客户端和服务器，而运行仿真场景，它具有两个网卡，分别连接到和仿真场景中，两个模块用于数据的实虚转换，两个转发节点用作网关，分别为和上的应用提供本地代理以及接入网络的服务图为基于的空间网络域，为一颗中轨卫星，为一颗同步卫星，它们的轨道通过生成然后导入中，为地面站，中轨卫星和地面站中分别包含了一个模块和一个网关（和为模块，和为星地间综合网关结点），同步卫星中包含一个路由节点以上场景中中轨卫星与地面站是不可见的，需要通过同步卫星进行路由转发为了模拟节点移动造成的链路中断，采用中的节点失效模型，让同步卫星节点在、等时间段内失效. 基于的实验结果与分析 基于展开网络性能测试，客户端向服务器端发送数据流，服务器监听接收客户端的数据，统计收包速率、丢包率和延迟抖动客户端向服务器的协议的端口发送数据包，发送速率为，包大小为图（）为采用互联测试的结果，实线为客户端发送数据，虚线为服务器收到的数据，结果显示在没有端到端连接的这段时间内，客户端发送的数据全部丢失图（）为互联方法的测试结果，结果显示虽然没有端到端的连接，数据仍可以通过保管转发，最终交付给服务器统计结果显示，使用互联方法的丢包率为，使用互联方法的丢包率为 视频点播实验结果与分析 （）是计划的开源多媒体播放器，它能作为单播或多播的流服务器在或的高速网络连接下使用客户端向服务器的端口发送一个视频流格式为，分辨率为，速率图（）为使用互联方法传输视频的统计结果，在链路断开时传输的视频流丢失图（）为使用互联方法传输视频的统计结果，可以看到在链路重新连接上时，服务器收到的数据远比客户端发送的数据多，这些多出来的数据就是互联方法在链路断开时间内所保管的视频流数据 结语 开发具有协议代理功能的空间转发节点，实现了其中层的关键功能，能实现协议体系、协议体系、协议体系的功能一体化设计半