4.6 容迟网技术的研究在线视频

第6节

容迟网(DTN)技术的研究

前面我们讨论互联网应用层协议工作原理时

都是做了这样一个假设

即在一次进程通信过程中

源端与目的端之间

一定要保证“持续”的TCP传输连接

那如果不能保证呢

那么分布式进程通信就失败

网络服务就不能实现

我们大量使用的互联网服务

如Web E-mail FTP都是建立在这个假设的基础之上

而目前存在着很多应用

比如

低轨道卫星通信网

星际网络

无线传感网络

GPS网络

无线车联网

实际上是运行在一个复杂的受限网络之上

这个假设都是无法保证的

1998年

美国宇航局NASA开始了星际互联网(IPN)的研究

其基本目标是

让地球和距离很远的

太空船之间的数据通信

能够简化到像地球上互联网中的两个节点通信一样方便

从表面上看

这个研究有一点太困难了

但是恰恰是这个灵感

推动了容迟网

DTN技术的研究与发展

容迟网又叫做中断容迟网络

DTN的技术特点主要有

第一是长延时

例如

在星际通讯中

当地球与火星距离最近时

光传播需要4分钟时间

而距离最远时光传播时间会超过20分钟

在互联网中

传播时间一般以毫秒计算

因此

对于如此长的延时

传统的TCP/IP协议是无法适应的

第二是间歇性链接

当空间节点之间

受到其他星球的阻挡

地面移动节点与基站之间

有建筑物阻挡

或者是无线车联网的节点之间

受到其他车辆的阻挡时

都会发生端-端连接的间歇性断开

这种中断

可以是有规律的

也可以是随机的

但是传统的TCP协议不支持这一点

第三个是在特殊的网络应用中

数据传输的双向速率经常是不对称的

在完成空间任务时

双向数据数率比可以达到10000：1

甚至更高

这也是传统的TCP协议设计时没有考虑到的

第四个高误码率和低信噪比

无线 移动与长距离传输

都会导致接收信号的高误码率和低信噪比

在互联网中光纤传输的误码率

可以达到10的负12次方到10的负15次方

而太空通信中的误码率

甚至可以低到10的负1次方

这种高误码率

和低信噪比会极大的影响

接收端对信号的解码与恢复

造成TCP连接的非正常中断

使得网络系统不能正常工作

第五个是应用于

太空 水下 战场 救灾现场与环境监测等

环境中的无线传感器节点受体积 重量的限制

电源与计算 存储资源非常有限

无线传感器节点经常会因电池能量的耗尽而停止工作

其它节点需要重新计算路由

无线传感器节点经常因节省电能而处于休眠状态

这时只有其它的节点唤醒它

或者休眠时间结束

它才能进入到无线自组网中的状态

在这种况下

端-端的连接也会经常中断

DTN体系结构

DTN研究的基本思路是

基于消息交换的体系结构

容忍低可靠性 大延时的链路

它的体系结构如图所示

理解DTN体系结构

需要把握以下几个概念和特点

第一个是数据束

按照DTN的术语

一条消息成为一个数据束

DTN节点都配置了存储器

将数据束存储起来

直到链路变得可用时

再转发出去

图中有五个节点

其中节点1为源端

节点5为目的端

第二个是链路与接触

由于DTN中链路的工作呈现间歇性的特点

因此链路根据它的工作状态

分为工作链路与间歇链路两种

图中有2条工作链路

5条处于非工作状态的间歇链路

一条工作链路称为一次接触

图中显示

通过工作链路

数据束已经存储到节点2与节点3

节点2与节点3

将利用下一次接触的机会

通过工作链路将数据束转发下去

直到目的端的节点5

第三个是DTN节点与路由器的区别

它们都是接收 存储 转发

但是两者有很大的不同

路由器转发时延

一般都控制在毫秒或秒的量级

而DTN节点

则要等待一个较长时间

甚至是几个小时

路由器一般不移动的

而DTN节点是移动的

如作为节点的卫星 飞机 汽车 手机等

DTN协议模型

DTN网络协议结构分为高层 DTN层 低层

如图所示

高层

也就是应用层

由适应各种不同网络应用系统的应用层协议组成

DTN层

包括数据束协议层和汇聚层

数据束协议负责接收应用程序的消息

通过“存储-携带-转发”的方式

将应用程序的数据作为一个或多个数据束

转发到目的DTN节点

低层

是指TCP协议 UDP协议或其它的传输层协议

以及相应的数据链路层与物理层协议

DTN是一种新兴的网络

其实验网络也只是针对一些特殊领域的应用

因此目前IETF

还没有推出标准的DTN数据束协议

DTN数据束协议仍然处于专用网络协议阶段

图中给出了2007年

11月发布的数据束协议的消息格式

这个数据束协议在推动容迟网研究与应用

发展中起到了重要的作用

但是在可靠性 错误监测 时间同步机制

网络安全与管理等方面仍需要改进

DTN网络的应用

图中给出了ＤＴＮ技术用于空间网络的一个例子

数据束是低地球轨道（ＬＥＯ）卫星

将作为灾害监控星座卫星的一部分记录的地球图像

地球采集点收集ＬＥＯ卫星传送的图像数据

卫星在绕地球旋转时

只能间歇性的接触到３个地面站

３个地面站在每一次接触时

接收卫星发送的数据束

然后通过陆地网络

将收到的数据束再发送到采集点

采集点再将所有数据束

汇聚成完整的地球图像数据

星际互联网的研究

前面提到的美国宇航局（ＮＡＳＡ）

于1998年起开展星际互联网（ＩＰＮ）项目研究

图中给出了未来火星任务深空

测控通信环境示意图

它包括地面链路

地球轨道链路 星际主干链路

行星（火星）轨道链路 行星表面链路等

NASA空间互联网的基础设施

由主干网络 接入网络 航天器之间的网络

近距无线网络等结构单元组成

地球上的Internet通过一个超长距离的

无线链路与深空主干相互连接

2004年

NASA成立了空间通信体系结构工作组

SCAWG

对直到2030年

都能够适应的NASA深空探索

与科学研究任务的空间通信体系的概念 结构

以及远景战略开展研究

2008年11月

宇航局喷气推进实验室（ＪＰＬ）

利用ＤＴＮ技术在地球

和3200万公里以外的航天器之间

传送了一批空间图像

深空通信网络协议体系的研究

主要包括３种思路

一个是空间IP协议体系

试图直接应用成熟的ＩＰ协议与技术

第二个是CCSDS协议体系

１９８２年美国成立的空间数据系统

咨询委员会（ＣＣＳＤＳ）

针对空间环境的特点

对地面ＴＣＰ／ＩＰ协议标准进行改进

第三个协议是DTN协议体系

也就是容迟网研究小组

提出的一种基于容迟网的协议体系

目前

深空环境中ＤＴＮ应用研究主要包括

路由算法 流量和拥塞控制 安全认证

ＱｏＳ与可靠性等方面