简析DTN网络与传统网络的区别

1、简析DTN 网络与传统网络的区别侯君婷（重庆邮电大学通信学院 ， 重庆市400065）移动而出现的 ， 也可能是由于能量管理或冲突导致的 网 络 分 割 / 断 开 （network partition/disconnection）3而 形 成 的 。 尤其是容迟网络的 高延迟和低速率对 于 TCP 来说是非常行不通的 。 容迟网络的基本观念是尽力使得数据在地球上和很远距离的星空通信就好像地球上任何两个地方通信一样简单 ， 当主机要 传 送 数 据 时 ，如 果 根 据 TCP 协 议 ，那么就需要首先 建立三次握手 ，当从地球上面太空间通信时 ，如果延迟的时候超过几秒钟 ，这样就会出现连接失

2、败 ，单是 对于太空通信这种低延迟 、高中断率的链路来说 ，这样的时间是远远不够的 ，所 以 TCP 协议已经不能适 用于容迟网络 。0引言通 过 网络传输数据现在已经是非常容易的事 情 了 ，但是在一些经常发 生延迟或者中断的网络传 输数据是非常困难的 ，发 生延迟或者中断的原因有 很 多 ，或者是网络拓扑经 常发生变化或者是环境恶 劣等原因 。 针对这个问题 ，很多人提出了解决方法 ， 但是现有的方法都是在原来的网 络协议的基础上 做 改 进 的 ，人们认为现在 的因特网标准协议已经足 够解决这个问题了 ， 但 是 在一些特定的场景中 ，这 些协议是行不通的 ，所以就有了容迟网络 1 （D

3、elay Tolerant Network，DTN）这 个 概 念 。 DTN 体 系 结 构 是因特网研究任务组 （IRTF） 的容迟网络研究组 （DTNRG）2在 IPN（星际网络 ）研究基础上发展而来 的 ，最初是为行星间 Internet 通 信 而 提 出 的 ，它 主 要 聚集于高延迟的太空通信和缺乏 连续连接的不同 网络协同工 作 环 境 中 ，是一种面向消息 （message）的 可 靠 的覆盖层体系结构 ， 是形成受限网络 （chal- lenged network）互联的适当方法 。2容迟网络的发展容 迟 网 络 最 初 主 要 是 针 对 IPN 通 信 而 提 出 来

4、的 ，1998 年 IPN 工作组开始制订一系列 星 际 网 络 通 信协议，为以后的发展奠定了基础。IPNSIG（IPN 社会 应用工作组）有一个公共的为相关话题开展讨论的环 球站点和邮箱，IPNSIG 发展了一个网络架构，并且制 订了关于这个构架的相关协议，这些工作后来大部分 体现在 DTN 网络的最新版本里面。而 NASA（美国国 家航空航天局）继续对星际网络进行研究，不 过 ，IPN- SIG 发现模仿星际网络是非常困难的 ， 因 为 星 际 网 络可能完全不存在 ，或者建造起来非常困难 。同 时 ，其 他 的 研 究 者开始研究如何将 IPN 的 观 点应用到陆地网络上 ，特别是传感

5、器网络 ，因为这个 网 络 跟 IPN 有很多地方相同 ，而 且 构造一个传感器 网络比研究一个星际网络要 简 单 的 多 。 这 就 表 明1TCP 的问题现在人们熟悉的互联网使用的是 TCP/IP 协 议 ， 但 TCP/IP 协议族的平稳运行是依赖如下物 理 链 路 特性假定的 ： a）在数据源和目的地之间存 在 端 到 端 的 路 径 。 b） 在网络中任何节点对之间的最大 RTT（往返传输时间 ）不能太长 。 c）端到端的分 组 丢 失 率 较小。 而容迟网络是针对网络高链路中断和低速率的情况进行的 ，这样 TCP/IP 已经不再适合这样 的 网摘 要 DTN（容 迟 网 络 ）是

6、一 种 新 型 的 网 络 体 系 结 构 ，这 种 网 络 结 构 为 很 多 面 临 挑 战 的 网络 （比如星际网 络 、传感器网 络 、陆地移动 网络等 ）提 供了互操作 性 。 容迟网络 没有稳定 的端到端 的 传 输 路 径 ，而 且 具 有 高 延 迟 和 频 繁 中 断 的 特 点 ，当 前 的 Internet 体 系 结 构 和 网 络协议无法 适用于这样 的网络 ，需要 提出新的体 系结构和协 议来解决 容迟网络的 问题 。 关键词 DTN（容迟 网络 ）； 高延迟 ； 频繁中断图 1 DTN 体 系 结 构 示 例（网络研究任务组 ）创建了一个新的研究小组来进行研 究

7、，这 个 小 组 叫 做 DTNRG，目 前 是 DNT 架 构 和 协议工作的主要聚集点 。 DTNRG 发展了两个主要 协 议 ：覆盖层体系协议 （the bundle protocol）4和 少 许传播协议 （LTP）4，这两个协议是否适合在这些网 络里面应用 ，在以后的实验里面是有待验证的 。如果 这两个协议能够证明是非 常 有 用 的 ， 那 么 IETF 将 会形成一个工作组来专门对这进行研究 ， 更新以后 的协议版本 。但是早在 2004 年，美国国防部下面的一个部门 提 出 了 容 断 网 络 5 （Disruption Tolerant Network， DNT），这是与容迟

8、网 络同样观点的另一种概括 ，在 后文我们通称这两种网络为容迟网络 （DTN）。 他们 的不同之处在于 ， 到现在美国国防部门认为 DTN 网络主要的工作点是在高延迟 ，比 如 IPN 或 者 是 稀 少的传感器网络上 ， 但是像其它类型的中断也可以 发生， 比如无线电阴影或者频繁运动在基站范围内 外 。 DTN 网 络 中 的 D 是 否 意 味 着 disruption 或 者 delay 还没有确定 ，但是这两种网络使用同样的网络 架构和网络协议 ， 而且一些工作组是同时工作在两 种容迟网络的版本上面的 。同网络协议栈 之 上 ， 当 一 个 DTN 节点和两个或更 多不同网络有物理连接

9、时提供网关功能 。 DTN 网关 综合了 Metanet 的“way point”概念。 “way point”概 念描述了为进入一 个区域数据必须通过的一个点 。DTN 网关采用可靠的消息路由代替了 “尽 力 而 为 ”的 IP 分组交换 。 当要求可靠传输和将全球命名转换为 本 地 名 称 时 ，DTN 网关将消息可靠 地 存 储 在 非 易 失 性 存 储 器 中 。 DTN 网关也进行安全检查 ，以 确 保转 发 是 允 许 的 。如果两个节点可以不通过 DTN 网关进行通信 ，那么这两个节点处在同一区域中 ，区域边界用来表示不同网络协 议和地址族之间的互联 点 。 图 1 是 DTN

10、 体系结构的一个简单例子 ，图中有四个区域 ，分别为 A、B、C、D。 区域 B 包括一个携带DTN 网关的经常运营的公共汽车 ，该 公 共 汽 车 往 返 于 DTN 网 关 3 和 DTN 网 关 5 之 间 ，区 域 D 包 括 一 个定期连接的近地卫星链路 。3容迟网络与传统因特网的架构区别DTN 网络的性能特性和网络体 系 结 构 等 方 面 与 Internet 是 相 背 离 的 ， 所 以 在这种网络上面必须 提出一种新的协议来应对这些变化 ， 通过构造一个 覆盖层就可以使得它在 适当的时候使用 Internet 协 议，就是一种 “容忍延迟的面向消息的覆盖层体系结 构4”。D

11、TN 是基于消息 （Message）交换的 ，其数据单 元 可 能 是 消 息 、分 组 或 “捆 绑 （bundles）”。 一 些 消 息 聚合在一起传递被称为 “捆 绑 ”，处理它们的路由器 被 称 为 “ 捆 绑 转 发 器 （bundle forwarders）” 或 DTN 网 关 。 Burleigh 等 人 提 出了一个新的端到端覆盖层 网 络 协 议 ， 称 为 “ 绑 定 （bundling）， 它 的 功 能 类 似 于 Internet 中 DNS 的域名到地址的映射 。 DTN 的体系 结 构 不 同 于 Internet 的 体 系 结 构 ， 它被设计用来解 决受

12、限网络存在的问题 。 DTN 引进了一个所 谓 的 “捆 绑 层 （bundle layer）”，是面向异步消息传输 的 覆 盖网，操作在不同网络的传输层上 。“捆绑层 ”提供与 Internet 网关相 似 的 功 能 ，但 有 很 大 区 别 ，因 为 “捆 绑 层 ”是 集 中 在虚消息的转发上面 ，而 不 同 于 Internet 网关的集中在分组交换上 4。DTN 作 为 一 个 “覆 盖 层 ”体 系 结 构 可 运 行 在 不4容迟网络的几个典型协议捆绑层协议捆绑层协议是一个覆盖网络的例子 ，4.1它可以 在现有的因特网协议组上面执行 ， 也可以基于更多 的比较深奥的星际 、 复

13、杂传感器网络和其他调整环 境 而制定的协议上 。 这个协议把一系列必须的应用数 据连同必要的控制数据包裹到一个束里面 ， 节点 接 着就沿着一条路径来传送这个束 ， 这个路径包括 了 一些可以各自保存所传递束的中间节点 ， 因此捆 绑层协议实际上就是一个 覆 盖 网 络 的 “ 存 储 - 转 发 ”协议。比如说 ，如果发送信息的计算机着陆在火星上 ，它可能生成了一个束 ， 但是在规定的时间内并不 能将这个束转发到火星人造卫星上面 ， 直到下一次这个人造卫星在合适的轨道上.当 它 接 收 到 了 这 个 束 ， 它可能先将这个束存起来直到下一个预定的束与地 球站联系时 ，然后才很快地将这个束转

14、发到目的地 ， 可能全部的延迟有几个小时或者更长时间 。 如果非 常剧烈的雨打断了卫星和地球之间的联系 ， 在这样 的情况下 ， 数据到达科学家的电脑就要花上几天的 时间。在这个例子中 ，这个束可能要经过三个不同的 低 层 通 信 站 ，从着陆点到卫星 ，从卫星到地球站 ，从 地球站通过网络再到科学家的电脑 。 你可以在 DTN 结构文档和捆绑层协议规范中找到关于这个协议的 更多细节 ，前者主要介绍了普遍的覆盖网络架构 ，介 绍了它的适用性 ， 后者详细说明了束的格式以及在 接收和发送束时的处理规则 。一 个 DTN 节点是一个可以在捆绑层协议上运 一 些 问 题 。 在 这 些 网 络 中

15、，TCP 以及类似的协议都 是 不 可 行 的 ，LTP 用清楚的标准协议来提供自动重 传请求 、数据完整性 、起始鉴权 、可靠性等 。发生应用 数 据 时 ，这些全部都是 要 进 行 的 ，除了多重的往返 。在 这 ，LTP 非 常 的 不 同 ， 我们可以想象一个 LTP 是 在一个独立的层次上面 ， 这个层次非常了解网 络 的 状态，告诉每个节点什么时候 、怎么样来接收和 传 输 信号。5结束语DTN 有许多潜在的应用 ， 比 如 IPN、 移 动 Ad hoc 网络、无线传感器网络等受限网络环境 。DTN 是 主要针对端到端连接和节点资源都有限时的一 种 网 络解决方案 ，用以满足随意

16、的异步消息的可靠传 递 。 DTN 的研究和发展将对军事战争 、航 天 通 信 、灾 难 恢复、 应急抢险等领域的消息交互提供有力的 科 学 理论和技术支持 ， 并极大地推进未来网络通信 智 能 化、泛在化 、融合化的发展趋势 。对 我 国 而 言 ， 紧密跟踪和分析国际上 DTN 研 究的发展趋势 ，结合我国相关领域的实际应用需 求 ， 着 力 开 展 DTN 基础理论研究和应用示范 ， 同 样 具 有非常重要的意义 ，值得引起我国学者的高度重视 。行 的 实 体 ，因 此 DTN 节点原则上是可以发送和接 收束的 ，但是也有一些特殊节点只能够发射信号 ，一般来说 ，一些节点不可能同时发送和

17、接收信号 ，我们 通过终端识别符 （EIDS）5来区分这些节点 。4.2LTP 协议捆 绑层协议解决了很多在 DTN 网 络 中 存 在 的 问 题 ，但 是 在 DTN 的 低 层 网 络 中 ，我们需要考虑到 两个节点之间的高延迟 ， 最典型的例子就是在卫星和地球站之间的链接 。 有时候这种高延迟也同样适 用于陆地上的网络 ，在这样的情况下 ，我们需要一种方法来处理数据 ，本 质 上 说 ，需 要 的 是 DTN 网 络 的 点到点协议 。LTP 可以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问 题。比如一

18、个飞行器马上要隐藏在一个星球后面 ，它就 不 能 再 发 送 LTP 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 ，此时飞行器可以 “冻结”所有的计时器以处理阴影内 的这段时间 ，一旦重新出现可以再重启它们 。这种冻结或者标记计时器的做法是 LTP 协议的关键思想 。LTP 协议是一个点到点协议 ， 所以不需要考虑 路由或者拥塞控制问题 ，而 且 LTP 被设计成一个潜 在的集中层来支持捆绑层协议 ， 也可以在其他方面用到它 ，比如在一个传感器稀少的网络中 。这种协议虽然为容断网络通信提供了很多的便 利， 但是仍然在深空通信和一些传感器网络中存在参考文

19、献1FALL K, FARRELL S. DTN: An architectural retro-spective J. IEEE Journal on Selected Areas in Com- munications, 2008,26（5）: 828-836K Fal1.A delaytolerant network architecture for chal- lenged internets C . in Proceedings of ACM SIG- COMM03.Aug.2003:2734Cerf V，Burleigh V，Hooke A，et a1.Delay tolerant net- working architecture EB/OL.