空间DTN网络下的转发决策方法

张 平

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

DTN网络是空间通信中的一种未来全局网络通信架构[1-5]，其利用存储转发机制进行数据传输。针对DTN网络的研究依然是一个热点，比如对于网络体系[6]和网络时间同步[7]、DTN网络数据编码[8]、路由算法[9-11]以及DTN应用等方面[12-13]。DTN网络架构提供了一个覆盖层网络，并提出了束协议[14-15]，将底层的不同协议进行统一。此外，工作组还提出了一种适用于空间DTN网络的传输协议LTP[16]，空间网络传输层可靠传输可采用LTP协议红段，不可靠传输可采用LTP协议绿段或UDP协议，以及针对文件的CFDP协议[17]。但在空间环境中，链路质量是变化的，比如随着天体运行遮盖等，当信道链路较好时，采用不可靠传输也可以传输成功。因此，如何灵活地运用可靠传输与尽力而为的传输是一个研究热点。这方面，标准DTN协议栈提供可供上层应用选择的使用方式。本文提出了一种基于历史重传率的转发决策方法(Forwarding Decision Method，FDM)，在链路质量较好时，采用不可靠方式进行数据传输；当链路质量变差时，采用可靠传输，并搭建了场景进行了试验，试验结果表明该方法能够提高转发效率。

1 核心算法FDM

1.1 算法思想

基于历史重传率的FDM在与转发器衔接的传输层引入了一对传输服务，分别提供可靠传输和不可靠传输。首次，转发节点采用尽力而为的传输服务对束进行转发并对转发结果进行检测；根据转发节点的每个下一跳节点的当前已转发束个数以及当前重传束总数，计算得到转发节点的每个下一跳节点的重传束的重传率P；查找当前待转发束对应的下一跳节点的重传率P，以重传率P为概率将待转发束提交给汇聚层可靠传输进行转发；以(1-P)为概率对当前待转发束执行下面步骤：判断束的时间戳，若当前待转发束的创建时间戳大于上一个被转发束的创建时间戳，则将当前束提交给汇聚层尽力而为的传输服务进行传输，否则提交给汇聚层可靠传输服务进行传输。

1.2 算法实现

DTN协议栈组成如图1所示，DTN协议栈中包含应用层、Bundle束层、传输层、网络层、链路层以及物理层等。上层应用通过调用BP协议发送方法进行数据发送，BP层将待转发束传入转发器，如节点x的转发器所示，采用一个可靠传输方法以及一个尽力而为的传输方法共同进行转发决策，同时基于统计的方法来统计束重传率，并进一步指导数据转发。

在DTN转发节点的汇聚层中引入一对传输服务——尽力而为的传输服务和可靠的传输服务；尽力而为的传输服务为不可靠传输，包括LTP协议的绿段服务和UDP协议；可靠传输服务包括LTP协议的红段服务和TCP协议。束层采用保管传输机制，以提供当汇聚层尽力而为传输服务失效的情况下，数据的可靠传输保证；保管传输超时定时器采用单次超时，以避免由于链路延迟等因素引起的不必要重传。

首次，转发节点采用尽力而为的传输服务对束进行转发并对转发结果进行检测。

根据转发节点的每个下一跳节点的当前已转发束个数以及当前重传束总数，计算得到转发节点的每个下一跳节点的重传束的重传率P。

图1 DTN协议栈组成

首先，基于信道环境计算理论的束丢失率/重传率，例如当底层采用IP网络时，采用不可靠方法时，其Bundle丢失率。

P(theory)=丢包率(IP层)*Bundle尺寸/Packet尺寸(IP层)。

束重传率与丢失率等价，丢失即会重传。对计算出的理论重传率进行判断：

①P(theory)≥1时，即为信道环境差或Bundle尺寸过大，导致采用不可靠方法传输理论上100%的丢失概率时，则设定系统直接采用可靠传输方式进行转发。

② 当0

设定2个变量：totalForwardBundleCnt为对于同一目的地统计的当前转发束个数(不含重传束)；totalResendBundleCnt为当前重传束总数。则当前重传率P为：

1-转发成功率=1-(totalResendBundleCnt)/

(totalForwardBundleCnt)。

查找当前待转发束对应的下一跳节点的重传率P，以重传率P为概率将待转发束提交给汇聚层可靠传输进行转发；以(1-P)为概率对当前待转发束执行下面步骤：判断束的时间戳，若当前待转发束的创建时间戳大于上一个被转发束的创建时间戳，则将当前束提交给汇聚层尽力而为的传输服务进行传输，否则提交给汇聚层可靠传输服务进行传输。

2 试验

2.1 评价方法

评价方法采用传输延迟时间(Transform Delay Time，TDT)以及单位时间接收端接收的不重复束个数(Unrepeated Bundle Delivery Count，UBDC)来进行。ATDT定义为数据流接收完成时间与数据流发送时间的差值。UBDC定义为最终接收束的节点在一段时间内接收到的不重复束个数。

2.2 试验设置

试验软件以美国宇航局NASA喷气推进实验室JPL的开放源代码的ION[18-19]软件包为基础进行代码开发，在BP转发器层增加FDM算法代码进行试验。

试验采用2个DTN节点，之间采用IP链路进行连接，每个DTN节点部署具有FDM方法的协议栈，LTP段最大净荷单元尺寸Size_packet为1 472 Byte，重传定时器Timeout采用15 s。采用3 Mbps的速率模拟数据流进行数据发送。试验中用到的误码率BER是从空间通信领域中的通信链路属性变化的表述中提取的[20]，当前环境下束理想丢失率为：

LossRate_packet*(Size_bundle/Size_packet)。

式中，Size_bundle为束尺寸大小；LossRate_packet为不同信道环境下的丢包率。共设计了3种信道环境，即250 ms时延，10-6的误码率；1.3 s时延，10-6的误码率以及2 s时延，10-5的误码率。丢包率(Packet Error Rate，PER)与误码率(Bit Error Rate，BER)的换算关系如下：

PER=1-(1-BER)S，

式中，S=8*Packet尺寸(以Byte为单位)。

并采用Bundle级别聚合，即束净荷采用20 866 Byte。接收端进行重复过滤，基于bundle创建时间戳，统计接收到的重复束个数，不重复束个数等。试验对比方法采用的是基于LTP红段的可靠传输方法，这里称为“传统IPN方法”。

2.3 试验结果和分析

试验结果如图2和图3所示。图2为FDM方法与传统IPN转发方法，在不同误码率的信道环境下的传输延迟时间比较结果。从图2中可以看出，在信道环境较好的情况下，FDM方法的传输延迟时间均小于传统IPN方法，但当信道质量变差时，FDM方法效果不及传统方法。究其原因，算法本身是基于历史重传率来进行转发决策的，信道较好时，如近地空间通信，链路误码率通常为10-7～10-6，FDM算法可以在下一次传输时，直接根据历史重传率来决定当前束是否直投递给可靠传输方法或者非可靠传输方法，所以传输延迟时间较短，而当信道环境恶化导致采用不可靠传输投递的束，有更多比例会丢失重传，且FDM算法从恶劣信道传输中恢复到正常信道传输所花费的时间会更长，所以传输延时时间较长。

图2 传输延迟时间TDT对比结果

图3展示了传输开始50 s后，接收端接收到的不重复束的个数，图3中可以看到，当接收端接收50 s后，在信道环境较好时，FDM方法其接收到的不重复束个数均高于传统IPN方法，仅在信道环境差时，其接收到的不重复数个数低于传统方法，原因同上。因此，FDM方法更加适应于信道质量较好的情况，可以采用初次采用不可靠方式传输时，其丢失概率的大小来评估信道质量优劣。

图3 50 s后接收的不重复束个数UBDC对比

3 结束语

DTN网络下的转发决策方法FDM提供了信道质量较好情况下的DTN数据可靠传输方法，相较传统DTN方法而言，基于LTP红段来提供可靠传输，基于UDP或LTP绿段提供不可靠传输，并基于历史转发重传率来动态决定转发方式，来提高传输成功率。并搭建了典型的试验场景进行试验，试验结果表明，在信道质量较好时，该方法可以提高传输成功率，在近地空间通信场景中，一般的误码率均在10-7～10-6之间，所以该方法可以为近地空间通信提供一种技术路线。以后的研究中，可以考虑增加更加复杂的转发决策因子，并基于多点网络的模拟情况来综合考量更贴合实际情况的转发决策算法。