天基信息港对等共享网络性能仿真

宋唐益嘉，胡鹤飞，张思睿，许凌毅，辛 宁

（1.北京邮电大学信息与通信工程学院,北京 100876；2.北京邮电大学电子工程学院,北京 100876；3.中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094）

1 引言

随着航天技术的发展，为了弥补现有卫星网络在多域融合和数据资源处理方面的不足，天基信息网这一概念应势而出.天基信息网络通过建设以高通量天基通信网络为骨架，融合导航、遥感数据服务的集成天基信息网络，实现了“天网”与“地网”的深度耦合［1］.针对天基信息高实时、多样化、体系化应用需求，提出了一种具备强大的信息处理和服务能力的天基信息港［2］.但随着空间工作种类与数目的增加，天基信息港的工作能力进一步受到了挑战.

针对天基信息港的高性能信息处理任务，我们考虑将P2P技术与天基信息港结合.P2P技术因其特殊的网络结构提高了终端计算机资源利用率，在计算机领域（尤其是文件共享领域）得到了广泛地运用［3］.与传统的地基网络相比，卫星通信网络组成复杂，拓扑的时变性更强；由于通信距离较远，通信时延与时延抖动更高，链路质量更差［4］.在具体的设计过程中，我们结合了天基网络信息体系的特点，通过分析应用于天基信息港的集中式和结构化分布式网络结构模型，设计了符合天基信息港的配置参数并搭建仿真平台；同时对单层或双层卫星结构进行设计分析，得到不同模型的仿真结论，验证了设计的合理性与优势.

2 天基信息港对等共享网络架构模型

2.1 集中式对等网络模型

2.1.1 单层卫星网络

该模型网络包括两个部分：高轨天基信息港和地面用户网络.由于传输时延和载荷限制，天基信息港作为数据中心，在对等网络中负责存储所有数据文件索引.地面用户网络由地面多用户组成P2P 网络.用户节点通过提交检索的请求由相关信息的节点回应请求，按照路由机制路由到本地相关的内容，以对等的形式通过高轨天基信息港转发传送到请求节点上.传统资源定位机制基于泛洪算法，假设网络拓扑图中结点平均邻居节点数为b，消息的生存时间为T，则采用泛洪定位算法进行一次文件定位请求产生的消息数为数据获取流程如下：

（1）数据资源发布流程

天基信息港或地面用户制作数据种子文件，并将种子文件存储到天基信息港目录中.

（2）数据请求与传输流程

地面用户发出请求后，由天基信息港获取所需资源定位信息，再由资源节点进行数据下发.该流程高轨天基信息港只执行数据转发功能，空间复杂度为O(1).高轨天基信息港和卫星的距离为L，则资源定位延迟D=2L.

2.1.2 双层卫星网络

该网络结构分为三个部分：高轨天基信息港、低轨卫星和地面用户网络.在3GPP 所提出的5G 星地融合方案场景设定中，由于传输时延和资源限制，低轨道卫星在天地一体化系统中主要承担转发和动态场景通信功能［5］，所以我们引入了低轨卫星层进行协同传输.

获取文件过程与单层网络相比，主要是第二步中不需要经过天基信息港，低轨卫星直接执行数据转发功能来减少数据传输时延.因此该网络模型中，空间复杂度和定位延迟与单层卫星网络一致.

2.2 结构化分布式对等网络模型

与集中式对等网络不同，结构化的对等网络中，没有中心服务器提供集中的信息检索和索引，解决了集中式网络中单点故障，性能较低的问题.同时DHT 分布式哈希表技术的应用也克服了非结构化对等网络中，洪泛查找效率低下的缺点.目前主要考虑使用Kademlia协议实现天基信息港对等共享网络［6］.

2.2.1 单层卫星网络

在结构化的天基信息港对等网络中，天基信息港与地面用户共同组成对等网络，除初始数据发布以及数据转发外，与其余对等节点执行相同功能.

（1）路由表构建

在Kademlia 协议中通过哈希算法对节点的IP 地址、资源得到m个k桶作为节点对应的路由表［7］.

（2）数据获取流程

（a）天基信息港按照Kademlia 协议在网络中寻找保存资源信息的节点.

（b）根据数据的key 值，网络对节点进行迭代查找操作，找到目标资源后由天基信息港进行数据传输.

（c）若地面用户节点中无法找到数据，向天基信息港请求数据.

（3）复杂度分析

根据构建的二叉树，在有n个节点的网络中，每个节点需存储O(logn) 个其他节点，空间复杂度为O(logn).节点资源定位使用二分查找法，因此资源定位的时间复杂度为O(logn).

2.2.2 双层卫星网络

与单层卫星结构化对等网络不同，结构化的双层卫星系统对等共享网络中，天基信息港只执行资源发布功能，低轨卫星节点与地面用户共同组成对等共享网络.

与单层卫星网络相比，双层卫星网络在资源查找阶段由低轨卫星对天基信息港下发的资源信息进行搜索.由于低轨卫星可以实现全球的高密度覆盖，所以加入低轨卫星节点后可以提高请求响应速度，扩大用户覆盖范围.从复杂度来分析，节点资源定位的时间复杂度和空间复杂度不变.

总的来说，天基信息港集中式对等网络继承了中心化结构的缺点，依赖于中心服务器，可拓展性较差；而结构化分布式对等网络中节点地位是平等的，频繁地进出对网络性能影响更低，并且通过哈希算法更支持精确匹配查询.因此，下一节我们针对天基信息港结构化分布式对等网络进行具体仿真分析.

3 性能仿真测试

针对上述网络模型中的结构化分布式对等网络，我们利用Java 实现并基于PeerSim 组件技术［9，10］开发了Space-based PeerSim 仿真平台，网络层主要由Kademlia协议、随机均匀和不可靠传输协议通过链路层传至节点.我们选用WireWS 网络模型［10］，为了体现低轨卫星网络与地面用户之间的联系，设置beta值为0.15.

3.1 单层与双层结构化分布式对等网络性能比较

K值是Kademlia 协议中的关键参数之一，表示记录的k个节点信息.由图1 可知，网络平均时延在不同的网络层次下有近10 倍的数值差距.结构化分布式的P2P 双层网络在传输时延方面明显优于单层网络.

图1 不同网络传输时延随K值的变化趋势

通过图2 可知，单层网络查找成功率较双层网络更优.但随着资源数R增加，两者的性能差异逐渐减少.在有较大资源数（大于5）的情况下，并行查找数ALPHA 大于5 时单双层网络的差异几乎可以忽略，查找成功率可保持在98%以上.因此相较于少资源的场景，双层卫星网络更适用于多用户、多资源的大规模场景中.

图2 不同网络下查找成功率随ALPHA值的变化趋势

3.2 双层结构化分布式对等

由图3 可知，随着丢包率增加，网络的时延逐渐降低，并且增长速率也逐渐降低.在丢包率大于0.1%之后传输时延趋于稳定；对于网络的查询成功率来说，在丢包率大于0.9%之后趋于平稳.在增加并发查找数目后查找成功率也有所改善.意味着在该网络中，当链路质量较差造成一定的丢包率后虽然查找时延趋于稳定但查找成功率持续下降，所以保证低轨卫星链路连接的可靠性有一定的必要性，当下兴起的互联网卫星星座（例如StarLink 系统）便是通过广泛部署低轨卫星来增强星间链路连接.

图3 查询成功率和传输时延随丢包率的变化趋势

我们以给定的概率执行节点添加或删除（失败），由图4 可知，随着节点的加入或删除，整体的平均延迟变化不大.对于卫星网络来说，随着低轨卫星层数的增加，地面用户可连接节点的移动性进一步增强，因此所以该网络适用于节点移动自由的卫星网络.

图4 时延随节点加入与删除概率的变化趋势

4 结论

本文基于天基信息港通过引入对等网络，增强了卫星网络的健壮性、可拓展性，并利于利用卫星网络执行分布式任务.通过设计网络模型并搭建天基信息港结构化分布式对等共享网络仿真平台Space-based PeerSim，利用该平台对网络性能进行了具体的分析.仿真结果表明，我们所设计的方案符合对等共享网络的性能特点，验证了方案设计的合理性.并且结构化分布式双层网络在多节点多数据的大型网络场景下，通过系统设置后可保证查找成功率98%以上.