大容量数据下基于DTN的链路中断优化传输技术*

石怀峰，庞卫立，杨　力

（1.大连大学通信与网络重点实验室，辽宁　大连　116622；2.大连大学信息工程学院，辽宁　大连　116622）



大容量数据下基于DTN的链路中断优化传输技术*

石怀峰1，庞卫立2，杨力1

（1.大连大学通信与网络重点实验室，辽宁大连116622；2.大连大学信息工程学院，辽宁大连116622）

摘要：激光或GHz以上的高频链路的应用将导致DTN(Delay Tolerant Network)网络链路数据容量的增大，大容量数据链路的间歇性中断将严重影响数据的传输效率。针对DTN网络中大容量数据链路频繁中断和节点的剩余缓存空间剧烈变化的问题，提出在DTN路由算法上增加拥塞状态预测机制和易中断链路判定机制，根据节点的拥塞程度定义惩罚函数，缓解链路中断和节点资源受限导致的拥塞。仿真结果表明，该机制可以有效提高DTN网络的传输性能。

关键词：大容量数据，链路中断，DTN网络，惩罚函数

0　引言

为了缓解无线网络的间歇性中断、传输时延长的特点，2003年美国高级计划研究局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出了DTN网络的概念［1］。由于DTN网络的潜在优势，该领域吸引了大量的研究工作。然而随着DTN网络链路容量需求的增大，链路的频繁中断将严重影响节点间的数据交换和转发，造成数据交付率下降，网络开销增加，致使网络发生拥塞。如电子对抗环境下，通信链路被强烈干扰，链路频繁中断导致消息不能成功传输［2］，从而消耗更多的链路带宽资源，网络的开销也随之增大。

当前，国内外在DTN网络拥塞控制的研究主要体现在两个方面，一方面主要集中于缓存中消息的调度管理，即通过对缓存中消息的存储和转发顺序的合理调度来实现拥塞控制［3］。如MaxProp算法［4］是基于节点相遇的历史信息和源节点到目标节点的路径可能性调度消息，提高了网络资源的利用率，然而对于链路的频繁中断导致的网络开销并未减少；另一方面是主要集中于如何对缓存中的消息副本进行合理的丢弃，如文献［5］提到的Drop-Front （DF）和Drop-Oldest（DO）这两种缓存区控制策略常被用于DTN网络的路由策略中。DF策略的主要思想是首先丢弃节点缓存区中排队时间最长的消息；而DO策略则是首先丢弃节点缓存区中剩余生命期最小的消息。然而随着链路容量的增大，DF和DO只是选择地丢弃过多的消息副本，使得本身资源并不丰富的DTN网络的大量资源被浪费掉［6-8］。文献［9］提出了带惩罚函数的最短路径算法来解决无线传感器网络的局部节点资源消耗过大的问题，延长了网络的寿命，但该算法缺少相应拥塞控制策略，因此，具有一定的局限性。

基于以上的拥塞控制策略和算法的不足，本文提出了一种基于惩罚函数的拥塞控制机制——PFCP （Penalty Function Congestion Policy，简称PFCP）。在该机制下，节点通过判定易中断链路和预测下一跳节点的的拥塞程度，动态地调整消息的发送速率来避免拥塞的发生，能有效减少网络资源的浪费。

1　 PFCP机制的基本原理

为适应这种大容量数据下的网络特点，有必要对DTN网络中链路的中断次数和易中断链路进行统计和判定来平衡网络的负载。

本文提出的PFCP机制使每个节点周期地更新自身的惩罚函数表，惩罚函数表保存了任意两个节点间的链路信用度和惩罚函数值。通过惩罚函数表中的链路信用度进行判断，绕过那些给网络带来额外开销的易中断链路，使得网络的消息导向链路较稳定的节点上。同时PFCP机制在传输消息的过程中能够实时调整消息的发送速率，防止保管传输节点的缓存空间过早溢出，有效缓解大容量链路下的频繁中断导致的拥塞。

1.1易中断链路的判定

假定在定时器T内，节点间链路的信用度为Cij，链路的信用度反应了链路的可靠程度。i和j表示通信链路的任意两个节点，定时器T的大小和Cij的初始值由网络状况而定。当通信链路受到外界干扰，通信距离剧烈变化等原因使通信链路发生中断，则将该链路的信用度Cij减1。

图1局部网络拓扑图

如图1，CAB表示节点A和节点B之间的链路信用度，当节点A相遇节点B，两个节点建立通信链路，然后遍历节点内的惩罚函数表，判断CAB的值是否为0。如果该链路在时间T内中断的次数超过Cij的初始值，即Cij的值变为0，则标记节点A和节点B之间的链路为易中断链路，并且对该链路做出一定的惩罚，即重启定时器T，并且在之后的T时间内使节点A和节点B之间不再进行消息传输；否则允许节点A和节点B之间进行消息传输，同时计算该链路的惩罚函数值，如1.2节中的式（1）所示。为了防止链路的信用度Cij长时间累积，规定每当定时器T溢出，将信用度Cij的值恢复至初始值。

1.2 PFCP机制的拥塞控制

DTN网络的拥塞大多是由于节点的缓存空间溢出导致。避免拥塞的关键是在拥塞将要发生之前做出预测，及时调整节点的发送速率，同时在拥塞发生之后对拥塞节点做出一定的惩罚，直到拥塞节点有足够的缓存空间后解除该惩罚。通过对上述拥塞原理的分析，在PFCP机制中添加惩罚函数f（B，k），如式（1）：

f（B，k）=1-B/Bm（1）

Bm表示节点缓存空间最大值，B是节点的剩余缓存空间大小。常数k为惩罚阈值，如式（1），当B≥kBm，表示节点的剩余缓存空间受到限制。在节点A向节点D发送数据的过程中，为避免节点D过早发生拥塞，惩罚函数的值由于剩余缓存空间大小产生变化，根据惩罚函数f（B，k）的值，将节点A的发送速率减半。当节点B的缓存空间溢出时，则f（B，k）= 1，将节点A的发送速率减为0，同时采用洪泛的方式通知其他的邻居节点只允许接受节点B的消息，不再向节点D发送消息，如下页图2所示。

2　仿真与验证

为了客观地对PFCP机制的性能进行验证，本文采用开源的仿真工具The ONE（The Opportunistic Network Environment Simulator）1.5.1版本软件。仿真时间为86 400 s，数据传输速率为200 Mb/s。采用的卫星网络的轨道参数见下页表1所示。

图2 PFCP机制流程图

表1仿真平台卫星轨道参数

仿真使用的地图参数来自卫星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK），包含一颗地球静止轨道（GEO）卫星；3颗中高度地球轨道（MEO）卫星；24颗低地球轨道卫星；一个位于北京（北纬39°）的地球站；卫星与卫星之间、卫星与地面之间都可以进行双向数据传输。

图3投递成功率随时间变化图

从图3可以看出DF、MaxPropRouter、PFCP三种算法在大容量数据链路下的消息投递成功率（Delivery_prob）随仿真时间（Simulation Time）的增加而增长。结果表明，PFCP算法在10个小时之前略低于MaxPropRouter算法。而在仿真10个小时之后，PFCP算法投递成功率高于另外两种算法。由于仿真初期网络的拓扑的变化，节点的惩罚函数表需要一定的时间进行更新，仿真初期消息的投递率增长较慢，随着仿真时间的增加惩罚机制的作用逐渐明显，使得消息的成功投递率较MaxPropRouter算法提高了10%。

图4网络开销率随时间变化图

由图4可知，PFCP算法的网络开销率（Overhead-Ratio）较MaxPropRouter算法降低了40%，较DF算法降低了58%。因此，表明PFCP算法的惩罚机制避免了节点过早的发生缓存空间溢出，同时过滤了给网络带来的大量开销的易中断链路。

图5平均时延随缓存大小变化图

从图5中看出，3种算法中DF算法平均时延（Average-Delay）性能最好，而PFCP算法的平均时延较MaxPropRouter算法增加了17%。说明由于PFCP算法的拥塞避免机制，在节点的缓存空间还未溢出时能及时减少消息发送速率，使得在接受方还没来得及转发消息尽可能被转发，而不是像DF算法被过早丢弃，由此带来的代价是平均时延的增加。

通过分析比较，本文提出的拥塞控制算法在针对链路频繁中断的网络环境下中具有较好表现，其投递率较高，网络开销低，时延略高，综合性能优于另外两种算法。

3　结束语

综上所述，本文提出了一种基于惩罚函数的拥

塞控制机制，该机制可以防止易中断链路给网络带来的巨大开销，同时使每个节点根据自身的拥塞状况动态调整自己的发送速率，有效避免了DTN网络在大容量数据下导致的拥塞。在降低节点拥塞的前提下，对网络性能影响较小，并且降低了网络资源的浪费程度。

参考文献：

［1］田成平，慈林林，程宾，等.容迟容断网络路由协议研究［J］.软件学报，2013，24（1）：134-147.

［2］卢占坤，齐胜利.空间电子对抗基本现状和发展展望［J］.电子对抗，2003（4）：7-8.

［3］吕免免.DTN网络中拥塞避免机制研究［D］.济南：山东师范大学，2014.

［4］BURGESS J，GALLAGHER B，JENSEN D，et al. MaxProp：routing for vehicle-based disruption tolerant networks［J］. IEEE Communications Society，2006（1）：1-11.

［5］KRIFA A，BARAKA C，SPYROPOULOS T. Optimal buffer management policies for delay tolerant networks［C］// 5 th Annual IEEE Communications Society Conference，2008.

［6］LINDGREN A，PHANSE K S. Evaluation of queuing policies and forwarding strategies for routing in intermittently connected networks［J］. Proc. of IEEE Cmsware，2006.

［7］柏亚平.DTN网络缓存区管理算法的研究［D］.合肥：合肥工业大学，2013.

［8］赵广松，陈鸣.基于接受阈值的容延网络拥塞控制机制［J］.软件学报，2013，24（1）：153-163.

［9］谭立兴，陈光亭，李溢洁，等.无线传感器网络中带惩罚因子的路由协议［J］.杭州电子科技大学学报，2012（6）：68-71.

Transmission Optimization Technology of Link Interrupt Based on DTN Network with Large Capacity Data

SHI Huai-feng1，PANG Wei-li2，YANG Li1（1.Dalian University Key Laboratory of Communication and Network，Dalian 116622，China；2. Dalian University School of Information Engineering，Dalian 116622，China）

Abstract：The link of the high -frequency above GHz or laser will lead to the data capacity increases of the link over DTN（Delay Tolerant Network），and the intermittent interruption of largecapacity data link will affect the data transmission efficiency seriously.To cope with the problems of that large-capacity data link occur interruption frequently and the remaining buffer space of nodes changes acutely，the congestion prediction mechanism and the interrupted node determination mechanism are added to DTN routing algorithms，and define the penalty function by the congestion degree and the result of the determination to relieve the congestion caused by link interruption. Simulation results show that this mechanism can improve the transmission performance of DTN network effectively.

Key words：large capacity data，link interrupt，DTN network，penalty function

作者简介：石怀峰（1988-），男，江苏徐州人，硕士。研究方向：卫星通信、计算机网络。

*基金项目：国家自然科学基金（61301151）；国家自然科学基金重大研究计划基金资助项目（91338104）

收稿日期：2015-01-04

文章编号：1002-0640（2016）02-0065-03

中图分类号：TP393

文献标识码：A

修回日期：2015-02-25