基于DTN的海上无线通信集成网络设计

【摘 要】海上无线移动通信集成网络是一种没有稳定的端到端路径，具有高延迟和高中断的典型受限网络。为了解决海上无线网络异构互联的问题，本文提出了一种基于DTN的无线移动通信网络集成设计方案，详细描述了网络集成覆盖模型，网络结构和业务传输流程，满足了网络性能需求。

【关键词】DTN；异构互联；覆盖模型；网络结构

1.引言

迅猛发展的网络技术为数据高效可靠传输提供了各种解决方案。近年来，随着无线网络技术的高速发展和大量普及，如何有效改善移动无线网络的异构互联问题成为了越来越多专家学者关注的重点。

在军事领域，对网络互联异构的要求时刻考虑着通信网络的集成设计。与传统的无线网络环境不同，海上无线通信网络中各种通信手段并行，系统中多中继并存，因此系统的传输延迟长且可变。同时，移动节点之间相互运动的影响，两节点间的通信链路平均维持时间较短，在经过多节点交互通信时，网络拓扑结构变化也较快，因此海上无线通信网络还存在着中断或断续链路连通性的问题。

DTN（Disruption/Delay Tolerant Network）作为一种新型网络体系结构[1]，不仅能够很好的解决高延迟、频繁中断通信网络环境下的数据存储转发问题，而且能够很好的融合多种网络，保证数据在多种复杂环境下的可靠传输，实现网络异构互联，因此具有极大的应用前景。

2.DTN网络概述

2.1 DTN网络特点

DTN采用“存储转发”机制实现异构网传输层协议，提供了异构网络互联的基本方案。其主要特点有：

1） DTN不存在发送端与接收端的端到端路径，采用存储转发的方法进行传递；

2） DTN引入了所谓的“包裹层（Bundle Layer）”作为连接不同受限网络的覆盖层，采用此覆盖的节点依靠发送称为“包裹”的异步消息进行通信。包裹层提供和互联网关相似的功能，但它集中于虚消息转发而不是分组交换。

2.2 DTN网络设计原则

Disruption/Delay Tolerant Networking Research Group（DTNRG）在2003年完成了基于DTN的网络体系结构数据格式的初步定义[2]，形成了相关的IETF协议。DTN网络设计遵循了以下的设计原则：

1） 传输层与网络层要适应本地的通信环境；

2） 采用“non-chatty”的通信模型；

3） 采用“存储-转发”的技术进行数据传输；

4）针对丢失数据采用了重传机制。

2.3 DTN网络关键技术

1） DTN体系结构提供了多种递送选项，另外DTN体系结构定义了两种类型的管理记录：“状态报告”和“保管信号”。

2）利用存储-转发实现消息交换。持续存储转发克服了DTN链路不可靠的缺点，节点的存储能力实质上代表了一种新的资源，需要网络进行管理。

3）可靠性和保管转发。Bundle层的消息递送是无确认的。为了加强递送的可靠性，提供了两个递送选项：端到端确认和保管转发。

4）汇聚层。虽然TCP协议不适合DTN环境，但TCP协议是非常成熟的传输协议，对TCP协议作适当的调整，能为DTN服务。TCPCL就是应用在TCP协议上的会聚层。不同会聚层的复杂度是不同的，这取决于下层协议的类型。如果需要向bundle层提供可靠递送，互联网使用的TCP/IP会聚层可能只需要在TCP流的基础上增加消息边界；而如果下层协议无法保证可靠传输，那么适用的会聚层可能相当复杂（可能需要实现可靠性，分段，流控制等等）。所以会聚层的选择要结合具体的应用环境和所使用的下层协议，即和具体的实现相关。

3.基于DTN的无线通信网络集成覆盖模型

由于海上移动节点的频繁运动，节点间可能不存在固定连通链路，是“受限”网络的典型代表。对于当前海上通信网络来讲，任何对路由协议的修改都将影响各个子网和应用的连通性[3]。因此必须引入覆盖网的方法[4]，在数据通信网网络层不变的情况下通过引入DTN技术大幅提升通信能力。

基于DTN技术的网络体系结构，在传输层上叠加“Bundle”子层网关，实现不同传输媒介（有线、无线）、不同传输协议（TCP或NON-TCP）的统一技术模式的信息传输，其网络覆盖模型如图1所示。

图1 DTN网络覆盖模型

DTN网络覆盖模型，在传统的五层结构体系之上，在应用层和传输层间加入承载层，利用承载层的Bundle协议，实现异构网络内节点间的数据转发。

源节点转发的数据，在由应用层发往传输层时，在承载层利用永久性的存储设备，记录下数据转发环境。保管者在收到来自源节点的数据信息，经由网络层和传输层的TCP/IP协议，在承载层处完成可靠性的保管储存。随后在经过下一个的保管者后，发往目的节点。目的节点接收到来自保管者的转发信息，在承载层利用Bundle协议完成数据保存，再在应用层得到呈现。

相应地，保管转发响应流程正好与保管转发相对。目的节点首先发起保管转发响应，在保管者的承载层完成响应承载，再经过多个保管者后到达源节点。源节点在承载层对响应进行可靠性存储后，在应用层处知晓目的节点接收到数据，完成整个存储-转发式的消息交换。

4.基于DTN的无线通信网络集成结构

无线通信集成网络系统主要包括DTN路由模块、Bundle转发模块、bundle存储模块、分段模块、注册存储模块、连接管理模块、管理接口模块、注册管理模块、控制台和配置模块等。组成框图见图2。

DTN网络系统主要包括业务处理和管理控制两部分，下面就从这两部分对各个模块进行描述。

（1）业务处理部分

消息处理部分主要包括DTN路由模块、Bundle转发模块、Bundle存储模块和分段模块。

1） Bundle路由模块和Bundle转发模块：Bundle路由模块位于该系统的核心位置。事实上，在DTN协议体系中，路由是进行保管转发的前提，是决定网络性能的关键技术。Bundle路由模块，根据系统状态信息进行路由决定，实现路由选择和时序安排，把决策的结果以指令的形式传递给转发模块，转发模块与Bundle存储模块和注册模块进行交互，从而执行路由模块的决策。这里将路由模块和转发模块分离，即将策略执行部分和功能实现部分分开，是为了方便对路由模块的扩展、更新以及替换。

2） Bundle存储模块：该模块用来保存执行存储-转发规程的bundle。

3） 分段模块：该模块负责对bundle进行分段和重组。当大的消息通过容量有限的连接进行传输时，或者一个数据传输部分失败的时候，就需要使用该模块所提供的功能。当bundle所有的段都到达的时候，该模块会产生信号通知路由模块。

图2 无线通信集成DTN网络系统框图

（2）管理控制部分

管理模块包括连接管理、管理接口、控制台/配置模块和注册管理模块等。

1） 连接管理模块：关注当前可用链路、与连通性或性能相关的历史信息以及任何和未来连通相关的时序安排信息。连接管理模块的基本任务是把从环境中学习的信息转换成可以被路由模块使用的描述。

2） 管理接口：用来向路由模块传递一些影响路由决定的策略限制或参数选择信息。

3） 控制台/配置模块：实现对节点的初始配置，并提供了一种控制途径。

4） 注册管理模块：实现对节点的注册管理。

特别地，管理控制部分主要完成的是对DTN路由的控制管理功能，与传统的无线路由控制管理策略没有原则性的差异，只是通过引入上述的管理控制模块，利用“状态报告”和“保管信号”两种类型的管理记录，实现对DTN网络路由的合理配置，达到网络管理优化的目的。因此，下面仅介绍基于DTN的网络业务传输流程。

5.基于DTN的业务传输流程

海上无线节点的物理拓扑结构复杂多变，信息互通形式也可能随时改变。下面通过对一个模拟场景下业务互通的流程来说明整个无线集成DTN网络内的业务互通过程。

假定移动节点01上的应用终端A需要发送信息给移动节点04上的应用终端B，而01节点和02节点分属不同的工作子网，两者之间无法直接在网内多跳通信，更无法直接进行无线通信。但是，有移动节点02在节点01附近，并且它们同属一个通信受限子网A；同时，有移动节点03在节点04附近，并且它们同属另一个通信子网受限子网C；另外，移动节点02和移动节点03还同属于一个受限子网B。这样节点02和节点03就可以作为转发节点来协助完成信息的流通。具体流通流程如图3所示：

图3 无线通信集成DTN网络业务传输流程图

（1）业务产生

应用终端1上因应用需求产生信息传输需求，该信息发送至应用服务器。该信息中同时包括原终端用户的信息、目标终端信息、信息传输质量需求等。

（2）传输策略与路由选择

DTN异构网络互联控制器根据业务需求，确定数据传输策略，并进行数据格式的匹配、地址转换；同时依据传输策略选择相应的功能子网，将信息发给相应的子网控制器。

（3）无线传输

受限子网A控制器接收到数据信息后，根据子网节点内部地址与平台地址映射关系，确定本子网内部出口端和下一跳的子网控制器地址。子网控制模块按照本子网无线传输格式要求，将接收的数据信息分段，重新组包，填写子网内的地址等信息，并通过子网信道向下一跳进行转发。

（4）中转节点接收信息

受限子网A控制器接收到数据信息后，上交给本节点的子网互联控制器。

（5）中转节点互联异构子网

中转节点子网互联控制器获取到数据信息后，根据数据中携带的传输策略信息进行数据格式的匹配、地址转换；同时依据传输策略选择相应的功能子网，将信息发给相应的B子网控制器。

（6）无线传输

同过程（3）

（7）中转节点接收信息

同过程（4）

（8）中转节点互联异构子网

同过程（5）

（9）无线传输

同过程（3）

（10）目标节点接收信息

同过程（4）

（11）业务信息接收

应用终端B接收到应用终端A发送的业务信息，对接收到的信息进行应用层相关的处理等。其返回给应用终端A的信息可以沿着相反的流程发送。

在上述流程中，通过在DTN异构网络控制器内，引入Bundle协议，完成业务的存储-转发；承载层无确认的缺陷，通过保管转发的机制得到了有效克服；同时在汇聚层引入TCPCL协议，能够满足海上无线通信网络的性能要求。

还可以看到，整个信息传输流程可以分为3段，发送节点01与转发节点02之间，转发节点02与转发节点03之间，转发节点03与接收节点04之间。在发送和接收节点中，分别要经过应用系统，DTN控制器和受限子网控制器；而在转发节点中，则需要经过两个不同的受限子网控制器和DTN控制器。这种独特的存储-转发方式，对于海上受限节点和网络具有积极的意义，不仅提高了系统的连通和传输能力，延长了系统生存周期，而且对于海上受限网络来讲，这种基于DTN的网络集成系统还能够大幅提升网络信息管控能力，满足网络安全的特定要求，实现信息保障，最大程度的解决异构网络互联的问题。

6.结论

海上无线环境的复杂性，决定了无线通信网络不同于一般的IP网络，对网络的延迟和中断续传等性能都提出了更高的要求。DTN网络是一类支持在大时延、链路间歇中断等受限条件下进行通信的新型网络体系。本文以海上无线网络通信集成为背景，提出了一种基于DTN的无线通信网络集成设计方案。实际使用表明，该系统可以有效解决网络异构互联的问题，满足海上无线通信集成网络的性能要求。

参考文献：

[1]闫小荣，黄晓燕，彭伟. 基于模拟的DTN路由协议性能评估[J]. 计算机技术与发展，2012（12）：1-4.

[2]张娅岚. 空天地网络通信协议发展研究[J]. 福建电脑，2009（2）：38-39.

[3]闫鲁生，刘尚麟. 容错网络技术在岸海数据通信中的应用研究[J]. 通信技术，2009（12）：197-200.

[4] Andersen D， Balakrishman H， Kaashoek F. Resilient Overlay Networks[C]. Canade： In 18th ACM SOSP. Banff， 2006.

[5]付凯，夏靖波，尹波. DTN中一种网络状态感知的概率路由算法. 小型微型计算机系统，2013（1）：145-149.

[6]侯君婷. 简析DTN网络与传统网络的区别. 电信快报，2010（4）：44-46.

作者简介：

王洪民，男，工程师，研究方向：无线通信。