DTN网络路由技术研究综述

余侃民　钟　赟　孙　昱　杨　娟

1(空军工程大学信息与导航学院　陕西 西安 710077)2(中国人民解放军93010部队　辽宁 沈阳 110015)



DTN网络路由技术研究综述

余侃民1钟赟1孙昱1杨娟2

1(空军工程大学信息与导航学院陕西 西安 710077)2(中国人民解放军93010部队辽宁 沈阳 110015)

摘要延迟/中断容忍网DTN(Delay/Disruption Tolerant Network)是一种与传统IP网络有本质区别的新型网络，适用于难以形成稳定端到端连接链路的通信环境。首先分析DTN网络的特性，然后描述DTN路由技术的分类方法，并从有无基础设施辅助的角度对各种DTN路由技术进行总结分析。最后介绍DTN路由技术的评价指标和评估方法，展望未来DTN路由技术的发展。

关键词DTN网络路由技术分类评估

0引言

实践表明，传统TCP/IP协议的平稳运行主要依赖于三个主要的底层链路特性：(1)源节点与目的节点间存在稳定的端到端链路；(2)任意节点之间的最大往返时间RTT(Round Trip Time)较小；(3)数据报文在传输过程中丢失概率较小。然而在一些特定的通信环境中，如机动通信环境、受干扰的通信环境，这些条件难以满足。

针对TCP/IP协议在这些通信环境中遭遇的挑战，研究人员提出了延迟/中断容忍网络DTN的概念。DTN网络适用于链路不稳定、数据传输延迟大、数据传输丢失率高的极端通信环境，在交通网络[1]、偏远地区网络[2-4]、地震紧急救援网络[5]、野生动物追踪网络[6,7]、空气质量监控网络[8]、农地数据收集网络[9]、战场网络[10,11]和卫星通信网络[12]等领域得到广泛应用。

为在DTN网络中准确、快速、安全地进行数据传输，研究人员对DTN的体系结构、路由设计、拥塞控制、安全机制、移动模型、仿真平台等方面[13-17]进行了广泛深入的研究。其中，路由设计问题是DTN网络研究中的关键问题，合理的路由算法能够确保消息以较小的代价、较短的时间从源节点传递到目的节点。DTN网络的路由设计问题具有不同于传统IP网络的约束条件和适用范围。因此不能将基于TCP/IP协议的路由算法简单套用，需要在分析DTN网络特性的基础上进行针对性设计。

近年来，针对不同应用背景下的DTN网络，研究人员在路由目标、机制、评估等方面取得了大量研究成果。本文首先描述DTN的网络特性，然后总结、分析目前的DTN路由技术，介绍DTN路由的评估方法，最后展望DTN路由技术未来的发展。

1DTN网络特性

自从DTN被提出后，其应用领域随着研究的深入而不断扩展，例如将延迟/中断的概念引入传感器网络中，形成了延迟/中断容忍移动传感器网络DTMSN(Delay/Disruption Tolerant Mobile Sensor Network)[18]；通过概括DTN中节点间消息转发机制的特点，形成了机会网络[19]等。尽管目前DTN的内涵和外延都经历了较大的衍变，但其本质都是一致的，即网络中的节点利用相遇机会实现消息的递交，从而在通信环境较为恶劣时实现较好的网络性能。

DTN的体系结构在很大程度上区别于TCP/IP，其在传输层和应用层之间增加了束层用于实现DTN的保管传输机制。束层的消息传输以底层协议为基础，如TCP、UDP、IP等。束层通过不同的汇聚层协议，如TCPCLP、Saratoga、LTP，与底层的TCP、UDP、IP协议相对应，从而形成“存储—携带—转发”特性的网络结构。

区别于传统的端到端传输模式，束层通过一种消息持久存储器来实现消息的保管传输机制，从而降低节点间链路断开对消息传输造成的影响。图1为端到端传输和保管传输机制的对比。在保管传输机制中，每个节点的缓存中保存摘要向量SV(Summary Vector)，用于记录自身的节点状态信息。当相遇时双方节点互换SV以探知对方节点状态，消息也被存储在节点缓存中；当节点相遇时，消息持有节点根据一定的机制决定是否转发缓存中的消息以及转发后是否删除该消息。

图1　端到端传输和保管传输机制对比

DTN网络的特点主要包括以下三个方面：

(1) 链路连接不可持续。在节点运动的通信环境中，各个通信节点的链路连接具有间断性，这就要求路由设计时必须考虑到正常工作时的通信中断问题；且DTN网络拓扑结构动态多变，路由协议必须具有自适应性。

(2) 信道速率不对称。移动通信设备的天线功率受限，信道速率呈现非对称特性(双向信息速率甚至可达1000∶1)[20]，在某些极端的通信环境下，信道甚至可能是单向的。在长距无线信道中，质量较差的通信链路还容易导致信息传输过程中误码率较大。

(3) 网络节点资源受限。DTN网络通常应用于深空、战场、偏远地区等环境中，受重量和体积限制，网络节点携带的资源如电力资源、缓存资源等有限，这将在一定程度上影响网络中消息的递交。因此，需要考虑节省资源的相应策略，从而提高资源的利用效率。

2DTN路由技术

目前，对DTN路由技术研究较多，分类方法也有多种方案。按照路由模式分类，可分为单播、组播和任播路由技术；按照节点移动模型分类，可分为节点随机移动模型路由技术和节点受控移动模型路由技术；按照副本数量分类，可分为单副本路由技术和多副本路由技术；按照有无先验知识分类，可分为有先验知识路由技术和无先验知识路由技术；按照有无网络编码分类，可分为编码路由技术和非编码路由技术；按照有无基础设施分类，可分为无基础设施路由技术和基础设施辅助路由技术，其中无基础设施路由技术又可分为基于复制、基于效用、基于预测、基于编码、基于社区的路由技术，基础设施辅助路由技术又可分为固定设施辅助路由技术和移动设施辅助路由技术。如图2所示，为单播路由技术中按照有无基础设施辅助进行的分类方法。下面按图2中的分类方法，对DTN路由技术进行分析说明。

图2　DTN路由技术分类

2.1无基础设施路由技术

2.1.1基于复制的路由技术

基于复制的路由技术原理是通过网络中节点的相遇将消息进行复制转发，在消息扩散的过程中必然会占用大量的网络资源。因此基于复制的路由技术是以网络开销为代价换取消息递交率的优化。目前，基于复制的路由技术主要包括：Epidemic[21]、Spray and Wait[22]、PROPHET[23]、RAB-ADP[24]、MRP[25]、RDAD[26]等。

Epidemic采用多拷贝泛洪的路由机制，一旦存在通信机会，节点尽可能多地转发消息，并且缺乏必要的缓存管理机制，消息长期驻存缓存。该技术适用于节点移动性较强且网络资源较为充足的网络环境，在节点网络资源受限时易陷入拥塞，导致消息转发效率的下降。

Spray and Wait采用有限拷贝转发的路由策略，源节点采用洪泛机制转发报文至下一跳节点，直到相遇目标节点才进行消息的递交，其本质为两跳路由。相比于Epidemic，能够有效避免节点拥塞，但平均时延仍然较大。

PROPHET为特殊的基于复制的概率路由技术，不同于Epidemic的无原则转发和Spray and Wait的有限转发，PROPHET通过消息持有节点、中继节点与目的节点的相遇情况定义消息递交概率值，并按照消息持有节点和中继节点消息递交概率值的大小关系决定是否转发消息。当两节点相遇时，即都进入彼此通信范围时，节点递交概率值更新公式为P(a,b)=P(a,b)old+(1-P(a,b)old)×Pinit，其中，Pinit是递交概率初始值，取值为(0,1]，可以看出，节点相遇越频繁，则递交概率相对也就越高；当节点久未相遇时，节点递交概率值老化公式为P(a,b)=P(a,b)old×γk，其中，k表示当前时刻距离上次老化的时间单位数，γ为老化因子，取值为(0,1)，控制递交概率老化的速率；当节点a与b经常相遇，b与c两节点也经常相遇，则可以认为节点b是a与c的良好中间节点，节点递交概率值传递公式为P(a,c)=P(a,c)old+(1-P(a,c)old)×P(a,b)×P(b,c)×ξ，其中，ξ为传递因子，取值为(0,1]。

Li等[27]综合考虑节点相遇频率和相遇持续时间，对PROPHET的更新、老化和传递公式进行了改进，提出了增强型PROPHET(Enhanced PROPHET, E-PROPHET)，降低了平均时延和网络开销。文献[23]结合PROPHET和Spray and Wait，提出了基于平均传递概率的组合RAB-ADP算法，通过设置时间相关的平均转发预测概率实现转发决策，避免了PROPHET的路由抖动问题。此外，文献[28]对经典的PROPHET算法从递交概率计算公式、参数设置等方面进行了改进。

MRP的原理是在IP层上增加了一个MRP层，用于中继低层无法路由的消息，是移动Ad hoc网络路由技术与随机转发相结合的产物。根据路由跳数选择合适的中继模式：若路由小于d跳，则进行转发；反之，进行存储。此外，在选择需转发消息时，设置了选取生存时间大于零的随机转发机制。RDAD利用节点多次收到广播消息强度的加权平均值定义消息的递交概率，并根据动态变化的递交概率设置消息最大复制数目，从而提高了消息递交成功率并降低了节点能耗。

2.1.2基于效用的路由技术

基于效用的路由技术原理是通过定义各个中继节点路由决策的效用函数，将消息转发给效用函数最高的中继节点。该算法的优点在于能够有效地控制消息转发的次数，并通过定义效用函数实现特定网络性能参数的提高。基于效用的路由技术主要包括CM-RSD[29]、URD[30]、VoN[31]等。

CM-RSD将节点活跃度和能量剩余率相结合进行消息的限额转发，使得消息向能力更强的节点转发，由于考虑节点的能量状态，因此能够有效提高网络寿命。该算法定义节点能力模型为Ui(t)=αFi(t)+(1-α)Ei(t)，其中Ui(t)代表节点i在时刻t的递交能力，Fi(t)代表节点活跃度，Ei(t)代表节点能量剩余率，α和1-α为权重指标。

URD通过中继节点与目的节点的相遇历史记录预测未来相遇情况，定义节点中心度、关联度、频繁度、亲密度、新近度、相似度和移动连通度等概念，建立了节点相遇效用模型。并从理论上证明了算法不会陷入路由环路，增加了节点相遇概率，提高了消息转发的效率，并有效降低了开销。

VoN用节点在特定时间内遇到不同种类节点的数量作为节点质量的定义，并以节点价值为优化目标设计路由算法，平衡了转发节点的负载，降低了网络开销。其定义节点价值为Vali=Vi×Si，其中Vali、Vi和Si分别代表节点价值、节点速度和节点缓存剩余率。

2.1.3基于预测的路由技术

基于预测的路由技术原理是通过记录节点历史相遇信息，根据当前节点位置和运动方向等信息，按照一定的预测算法预测与目的节点的相遇情况。该技术可以使消息的转发更有方向性，减少消息在网络中的无序扩散。

彭敏等人[32]利用相遇记录矩阵记录节点相遇概率，生成转移投递概率和总投递概率值预测节点递交概率，并以此为依据进行消息副本配额的分配。该算法能够以较低的网络开销代价换取消息递交率和平均时延指标的提升。

LeBrun等人[33]通过在车载网络的车辆上配备GPS，实时记录车辆位置和行驶方向，通过车辆所在位置到目的节点所在位置向量和车辆行驶方向的夹角预测车辆与目的节点的相遇概率。

2.1.4基于编码的路由技术

基于编码的路由技术原理是在源节点处对消息进行编码后发送，目的节点将接收到的部分消息进行重构生成原消息。这种机制实质上是对DTN链路间歇断开、无线信道误码率高的补偿机制，基于编码的路由技术主要包括编码和擦除编码两种类型。

苟亮等人[35]提出了基于编码的无线网络加权广播重传机制算法。通过收集到的广播消息和链路状态信息构建分布式加权矩阵，从而实现对编码消息的提取，该算法在降低算法复杂度的同时提高了消息传输效率。

文献[36]依据历史相遇信息，建立节点时间图模型以表征节点连接态势，综合考虑消息可达率、最短路径长度和相遇时间间隔建立转发能力模型，分布式地更新时间图，从而实现编码节点的动态选择。图3描述了一种典型的时间图模型，T1-T6分别为网络运行中有节点相遇的6个时刻，v1-v5分别为网络中的5个运动节点，e1-e8分别为具体的8个节点相遇事件。该时间图模型在以往静态图的基础上加上了时间维，动态展示了各节点的连接态势。

图3　一种时间图模型

Wang等人[37]提出了基于擦除编码的路由算法。该算法将原始数据擦除编码后划分成更小的消息并分配给多个中继节点，目的节点利用从中继节点接收的消息重建原始消息，该算法确保了在网络状态较差时的消息传输。

2.1.5基于社区的路由技术

基于社区的路由技术原理是考虑节点的社区移动特性进行消息转发。节点的社区特性一般包括三种情况：节点运动具有偏好特性，去往某位置的概率更高；节点运动具有差异特性，只有某些节点去往某一位置；节点运动具有时空特性，如在校园里，行人节点在就餐时间段一般会在食堂附近运动。

Daly等人[38]根据社交网络的“小世界现象”，通过定义节点向心性和相似度寻找网络中的“桥节点”，并借助“桥节点”实现消息的辅助转发，取得了较好的效果。

Hui等人[39]将同属一个社区的节点贴上同一标签，在节点相遇时将消息优先传递给贴有同一标签的节点，这种机制有效地减少了消息的跨区传输，实现了网络开销的优化。

张炎等人[40]提出了节点相遇间隔感知的社区路由算法。利用节点访问社区的概率值估计相遇间隔时间，在消息转发过程中选取与目的节点间隔时间估计值较小的中继节点，从而提高了消息的平均时延指标。图4为中继节点选取示意图。

图4　中继节点选取示意图

在图4中，当A社区的节点a需要转发消息至C社区时，直接递交需要12.2 s，而经过相遇间隔时间感知方法，先转发给B社区的节点b，由b转发到C社区只需3.5+5.2=8.7 s。因此，中继节点选择b能够有效降低网络时延。

2.2基础设施辅助路由技术

基础设施辅助路由技术的原理是通过在网络中部署固定或移动消息转发辅助设备以减少节点的缓存消耗，从而可以有效提高节点的生存性。根据基础设施的移动性可分为固定和移动设施辅助路由技术。

2.2.1固定设施辅助路由技术

固定设施辅助路由技术是指用于辅助转发的设备是固定的，其优点是不需要进行辅助节点的路径规划设计，但辅助性能较移动设施辅助路由为弱。

文献[6]提出了一种用于鲸鱼活动信息收集的信息站模型SWIM：鲸鱼体内装有的射频标签之间及标签与浮球内的信息站之间可进行数据转发，信息站将收集到的信息转发至岸上数据分析中心，实现对鲸鱼生活习性的分析。

Zhao等人[41]提出利用固定无线辅助通信设备——抛掷盒来提高节点间消息转发的机率。按照路由方式及信息种类的不同划分9种情况，在此基础上根据位置矢量x和路由矢量f，以最大化数据率λ为目标设计路由算法，取得了较优的路由性能。

于振等人[42]提出通过在节点的运动路径上设置Wi-Fi热点辅助数据分发，并定义节点数据分发的责任因子确保数据总是朝着分发效率更高的节点流动，结果表明该算法能够显著地提高数据分发效能。如图5所示，描述了基于基础设施辅助的网络模型，P1-P4为网络中的4个移动节点，采用ad hoc方式连接；AP1和AP2为2个无线接入点，采用WLAN/Internet方式连接。若P1要向P4递交消息，传统的ad hoc方式是经过P2和P3的转发；而采用基础设施辅助时，当P1在AP1通信范围内时，其先将消息转发给AP1，由AP1向网络进行广播转发。AP1和AP2的加入可以有效降低平均时延，提高消息递交率。

图5　固定基础设施辅助的网络模型

2.2.2移动设施辅助路由技术

移动设施辅助路由技术是指用于辅助转发的设备是移动的，其优点是可以根据具体的辅助需求动态调整辅助节点的路径，避免固定设施辅助路由重辅助节点由于通信距离受限导致辅助性能下降，但动态规划辅助节点的路径难度较大。

MF算法[43]在网络中设置按照特定路线运动的移动摆渡节点实现消息的辅助转发，并按照摆渡节点的运动方式划分为摆渡者主动运动的FIMF算法和摆渡节点被动运动的NIMF算法，移动摆渡节点的存在提升了消息远距转发的效率。

文献[44]研究了多摆渡者辅助路由的设计问题，以最小化数据传输延迟为路由目标，在满足流量需求的前提下规划摆渡者路径；按照单路径无交互、多路径无交互、节点交互、摆渡者交互四种路由类型进行建模分析，提出相应的路径规划算法，取得了较好的效果。

文献[3]中提出一种用于农村偏远地区的非实时异步通信网络结构，图6为其概念图。该网络中主要包括城镇中的Internet固定接入点设备、车辆上的移动接入点设备以及村庄中的Kiosk设备。车辆作为移动辅助设施，通过规定路径运动与村庄中的Kiosk设备进行信息交互，并在到达城镇时与城镇中的Internet固定接入点设备交换信息，最终实现了村庄与城镇间的信息交互。

图6　Daknet概念图

3DTN路由技术评估

DTN网络路由技术性能优劣的评价方法主要包括单指标评价法和多指标综合评价法。单指标评价法通过选取典型性能指标，如消息递交率、网络开销和平均时延等，逐一进行对比分析；多指标综合评价法主要是通过建立DTN路由指标体系，实现特定路由下多指标的加权映射，生成综合评估值进行对比分析，相比于单指标评价法，多指标综合评价法的评价更具全面性和整体性。下面给出消息递交率、网络开销和平均时延的公式化定义。

(1) 消息递交率

DTN路由设计的目的就是容忍链路中断和一定时延的基础上实现消息递交率的最大化，消息递交率是DTN路由技术中最重要的指标。消息递交率的表达式为：

(1)

其中，Nr表示需要递交的消息总数，Nt表示被成功递交的消息总数。

(2) 网络开销

网络开销是指未被成功递交消息总数与被成功递交消息总数的比值。网络开销的表达式为：

(2)

其中，Np表示网络中的消息总数，Nt表示被成功递交的消息总数。

(3) 平均时延

平均时延是指所有被成功递交的消息从源节点转发至目的节点所花费时间的平均值。平均时延的表达式为：

(3)

其中，Tl,t表示第l个消息被源节点发送的时刻，Tl,r表示第l个消息被目的节点接收的时刻，n表示所有被成功递交的消息总数。

4结语

对DTN网络的研究背景已经从星级网扩展到了地面和水下网络，其应用场景更趋多样化，以下三个方面将是未来DTN路由技术研究的重点。

(1) DTN路由技术指标体系构建

在将DTN网络应用于不同场景时，如何建立更加科学完善的指标体系是一个重要问题。文献[45]结合RFC-2051标准，以有效性、实用性、安全性和扩展性4个一级指标，时延、传输率、吞吐量等12个二级指标为基础建立了DTN指标体系；文献[46]中提出了构建DTN评价指标的新思路。

(2) 基于QoS的DTN路由技术

DTN路由问题的实质是资源分配问题，在资源有限的条件下，研究能提高QoS保障水平的路由技术十分关键，特别是在路由设计中考虑流量控制问题和拥塞控制问题。文献[47]提出了一种基于信息交换的方法来实现网络流量控制，可以在一定程度上改善网络的拥塞问题，但方法的针对性不强。

(3) DTN多播路由技术

一些网络如空间网络[48,49]，对多播路由的应用需求较大；在军事战场网络和灾难救援通信网络中，应用多播路由也能够显著提高资源利用率、节约通信带宽。因此研究DTN多播路由技术将有广阔的应用前景。将多播技术应用于DTN网络存在的一个难题是如何保持多播结构的连通性，可以考虑通过一定的补偿机制来克服该问题。

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收稿日期：2015-12-08。陕西省自然科学基金项目(2012JZ8 005)。余侃民，副教授，主研领域：通信系统与通信技术。钟赟，博士生。孙昱，博士生。杨娟，工程师。

中图分类号TP393

文献标识码A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.07.035

RESEARCH OVERVIEW OF DTN ROUTING TECHNOLOGY

Yu Kanmin1Zhong Yun1Sun Yu1Yang Juan2

1(CollegeofInformationandNavigation,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710077,Shaanxi,China)2(Unit93010ofPLA,Shenyang110015,Liaoning,China)

AbstractDelay/Disruption Tolerant Network (DTN) is a kind of new network, which has the essential difference from the traditional IP network. The DTN is usually applied in the communication environment which is hard to form stable end-to-end connecting link. The feature of the DTN was described firstly, then the classified method of the DTN routing technology was summarized and various DTN routing technologies were analyzed from the perspective that whether the infrastructure assistant was existed. Afterwards, the evaluation index as well as the assessment method of the DTN routing technology was introduced. In the end, the future development of the DTN routing technology was presented.

KeywordsDTNRouting technologyClassificationAssessment