容斷/容遲網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程分析

摘要：當(dāng)前，以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的Internet已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但是Internet并不能很好應(yīng)用于，例如星際間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，軍事戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)等具有較大時(shí)延，頻繁中斷，非對(duì)稱信道和高誤碼率等特征的網(wǎng)絡(luò)。容斷/容遲容忍網(wǎng)絡(luò)（Disruption/Delay Tolerant NetworkDTN）提出了一種架構(gòu)和解決方案來(lái)解決以上環(huán)境中所遇到的通信問(wèn)題。該文的主要內(nèi)容包括：1) DTN架構(gòu)和Bundle協(xié)議的簡(jiǎn)介。2) 典型DTN應(yīng)用通信過(guò)程和束（bundle）結(jié)構(gòu)的分析。

關(guān)鍵詞：容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)；Bundle 協(xié)議；DTN2

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2011)04-0768-03

Analysis of Delay/Disruption Tolerant Network Communication Process

LIU Xin-yu， LI Bing， DING Bao-ping

(Institute of Command Automation， PLA Univ. of Sci. Tech.， Nanjing 210007， China)

Abstract: Currently， the TCP/IP protocol-based Internet has been widely used. But the Internet is not well applied in， for example， interstellar satellite network， the military battlefield networks which have large delays， frequent interrupts， non-symmetric channel and high bit error rate characteristics. Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) presents a framework and solutions to solve the above problems. The main contents include:1) introduction ofDTNarchitecture and Bundle protocol.2) A typical communication process of DTN application and the analysis of the bundle structure.

Key words: DTN; bundle protocol; DTN2

1 Delay and Disruption-Tolerant Network 概念

1.1 區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Regional Network）

每一種網(wǎng)絡(luò)及其所使用的協(xié)議都只適用于其所在的特定的通信區(qū)域，我們稱之為區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。在同一個(gè)區(qū)域中通信的條件或環(huán)境是相類似的。各個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間由于使用的協(xié)議不同一般是無(wú)法相互通信的。Internet是一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特例。

1.2 受限網(wǎng)絡(luò)（Challenged Network）特征

Internet不適合應(yīng)用于受限的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。例如：星際間衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)（Inter-Planet Satellite Communication Network）[1，3]中斷比較頻繁，傳播時(shí)延很長(zhǎng)，誤碼率較高。軍事戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)（Military Battlefield Network）[1，3]由于干擾或破壞鏈路的中斷比較頻繁，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性強(qiáng)輸速率低，誤碼率較高。這種網(wǎng)絡(luò)我們一般統(tǒng)稱為受限網(wǎng)絡(luò)。受限網(wǎng)絡(luò)一般具有以下特征：

1) 鏈路間歇性連通，端到端的連通鏈路不是總是存在的，是間歇性的存在的。

2) 時(shí)延較長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)之間較長(zhǎng)的傳播時(shí)延和節(jié)點(diǎn)中易變的排隊(duì)時(shí)延。

3) 非對(duì)稱的數(shù)據(jù)傳輸速率。

4) 高誤碼率，由于多種原因使得Challenged Network的鏈路在傳輸過(guò)程中存在較高的誤碼率。

1.3 DTN概念

時(shí)延容忍網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)位于各個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之上的覆蓋層，包括Internet。通過(guò)容忍區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間的較長(zhǎng)的時(shí)延并在區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)換通信格式和參數(shù)，DTN支持區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信和互操作。[1，3]

2 DTN 架構(gòu)和Bundle協(xié)議

設(shè)計(jì)DTN架構(gòu)的目的是為了提供一種普遍的解決方案解決苛刻環(huán)境下的通信問(wèn)題，支持各種區(qū)域網(wǎng)絡(luò)包括Internet和各種受限網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部通信和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)間的通信和互操作。

1) 使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式來(lái)交互信息。[1，7]

在受限網(wǎng)絡(luò)條件下由于連通的間歇性，較長(zhǎng)時(shí)延，非對(duì)稱信道和高誤碼率等問(wèn)題，所以Internet的信息的交互方式已經(jīng)不合適。為了克服這些問(wèn)題，DTN通過(guò)采用類似郵政系統(tǒng)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行信息的交換。這種方式要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要有一個(gè)持續(xù)存儲(chǔ)設(shè)備（例如硬盤(pán)），這個(gè)持續(xù)存儲(chǔ)設(shè)備要求能夠無(wú)限期的存儲(chǔ)信息。我們把這個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備叫做節(jié)點(diǎn)的持續(xù)存儲(chǔ)（Persistent Storage）。使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行信息的交換時(shí)，信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)存儲(chǔ)被轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)存儲(chǔ)。消息的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程如圖1所示。

2) 束層（Bundle Layer）[3，6]

DTN通過(guò)在各個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的各種協(xié)議層之上覆蓋一個(gè)新的協(xié)議層即Bundle協(xié)議層，來(lái)實(shí)現(xiàn)在各個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的交互。Bundle協(xié)議層與各個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的各種下層協(xié)議緊密結(jié)合在一起從而支持區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間的應(yīng)用程序的通信。將Bundle協(xié)議層應(yīng)用于各種的網(wǎng)絡(luò)，那么它們就可以通過(guò)Bundle進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)間的通信和互操作，這就組成了一個(gè)DTN。而在各種網(wǎng)絡(luò)中Bundle層的下層協(xié)議是各種網(wǎng)絡(luò)所特有的，適應(yīng)自己所在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的協(xié)議棧。圖2表示的是一個(gè)Bundle經(jīng)過(guò)DTN網(wǎng)絡(luò)中各種節(jié)點(diǎn)的傳輸過(guò)程。

3 典型DTN應(yīng)用的交互過(guò)程和Bundle內(nèi)容分析

RFC4838和RFC5050分別對(duì)DTN的架構(gòu)和Bundle協(xié)議做了詳細(xì)的介紹。DTN2按照其標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了DTN的架構(gòu)和Bundle協(xié)議[5-6]，它是一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使研究者能夠在此之上進(jìn)行DTN的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，DTN2不僅適用于對(duì)于DTN的研究工作，也有很好的使用價(jià)值，可以直接用于實(shí)際的部署。我們實(shí)驗(yàn)的目的是在DTN2平臺(tái)之上對(duì)DTN協(xié)議在受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的DTN協(xié)議的工作過(guò)程進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

搭建的DTN實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖3所示。一共有3臺(tái)機(jī)器，A和B作為終端，C作為路由器。網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)網(wǎng)段，分別是192.168.1/24和10.1.1/24。A、B、C都安裝DTN2。抓包工具使用Wireshark。A、B的EID分別為dtn://lxy.dtn和dtn://dbp.dtn。

3.2 DTN2中典型應(yīng)用通信過(guò)程分析

我們以DTN2中的dtnsend應(yīng)用程序?yàn)槔治鯠TN協(xié)議的工作過(guò)程。dtnsend是一個(gè)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。在試驗(yàn)中我們使用dtnsend從A向B發(fā)送一個(gè)”hello”字符串。

我們通過(guò)抓包對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行分析，我們?cè)贏運(yùn)行dtnsend應(yīng)用程序，并分別在A點(diǎn)和C點(diǎn)的地址為192.168.1.2的網(wǎng)卡上抓包。A點(diǎn)抓包結(jié)果如圖4所示，C點(diǎn)抓包結(jié)果如圖5所示。

圖4 A點(diǎn)抓包結(jié)果圖5 C點(diǎn)抓包結(jié)果

由抓包結(jié)果我們可知在bundle的傳輸過(guò)程中，A首先通過(guò)TCP連接將bundle傳送給C，然后C通過(guò)TCP連接將bundle傳送給B。注意A和B之間并不存在TCP連接，這是和Internet不同的地方。A，B和C的通信過(guò)程如圖6所示。

1) 從第1步到第3步可以稱為DTN的握手階段，其中包括了TCP的握手過(guò)程。在dtn2中一但兩個(gè)節(jié)點(diǎn)成功完成DTN握手，即使bundle發(fā)送完畢也不立即結(jié)束，而是一直由Bundle協(xié)議維持這個(gè)握手狀態(tài)即保持連接，直到其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)由于正常或非正常原因本次連接斷開(kāi)，下次通信時(shí)再重新建立握手狀態(tài)。這樣避免了多次連接對(duì)資源造成的浪費(fèi)。

2) 第4步是bundle的發(fā)送。A點(diǎn)將bundle發(fā)送給C點(diǎn)，C點(diǎn)再轉(zhuǎn)發(fā)給B點(diǎn)。C與B的交互過(guò)程與A與C的交互過(guò)程類似。C點(diǎn)起到了路由的作用，屏蔽了不同網(wǎng)絡(luò)間的差異，通過(guò)C點(diǎn)又能使得兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信。這樣如果是兩邊是不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)也不會(huì)相互影響能夠正常通信。

3.3 束結(jié)構(gòu)的分析

在這一部分我們將詳細(xì)分析圖7通信過(guò)程中所發(fā)送的bundle的結(jié)構(gòu)和字段內(nèi)容，從而對(duì)RFC5050中bundle的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

通過(guò)RFC5050我們可知一個(gè)bunlde至少由兩個(gè)Block連接而成，而且第一個(gè)必須是Primary Block。下面我們首先分析Primary Block。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和RFC5050中bundle的結(jié)構(gòu)相驗(yàn)證比較，我們發(fā)現(xiàn)在dtn2中Primary Block的前兩個(gè)字節(jié)并不屬于RFC5050中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)字段，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為dtn2對(duì)bundle添加了兩個(gè)字節(jié)，這兩個(gè)字節(jié)在Primary Block 的開(kāi)頭，在我們的例子中這兩個(gè)字節(jié)為，0x13 0x3d。在本文中不對(duì)這兩個(gè)字節(jié)做解釋，我們從第三個(gè)字節(jié)開(kāi)始分析。

1) 版本號(hào)字段，用于表示所使用的Bundle協(xié)議的版本，大小為1Byte。第三個(gè)字節(jié)0x06為字段值。

2) 控制處理標(biāo)志（Proc Flags）字段，這個(gè)字段是對(duì)bundle處理方式的說(shuō)明字段，這個(gè)字段使用的是SDNV編碼方式字段的，0x81 0x10兩個(gè)字節(jié)是字段值，解碼之后為10010000，根據(jù)RFC5050中對(duì)Proc Flags字段的定義，10010000表示此次bundle的目的節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)（單播），bundle的優(yōu)先級(jí)為Normal。

3) 塊長(zhǎng)度，這個(gè)字段表示Primary Block這個(gè)字段之后的剩余的總字節(jié)數(shù)，這個(gè)字段使用的是SDNV編碼方式，字段值是0x31，解碼后為00110001，即49個(gè)字節(jié)。通過(guò)這個(gè)字段我們知道Primary Block的結(jié)束位置如圖8所示，圖中劃紅線的部分是Primary Block。剩余部分為Payload Block。

Primary Block全部分析完成。發(fā)現(xiàn)DTN2中的Primary Block遵守了RFC5050中的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，但是在開(kāi)頭實(shí)現(xiàn)時(shí)添加了兩個(gè)額外字節(jié)。Primary Block后面緊接的是Payload Block，下面我們繼續(xù)分析Payload Block中的字段。整個(gè)Payload Block 是圖9中劃紅線的部分。

1) Block類型字段，這個(gè)字段占用一個(gè)字節(jié)，用于說(shuō)明這個(gè)Block的類型，其中1表示Payload Block。

2) 塊控制處理標(biāo)志字段，這個(gè)字段包含對(duì)這個(gè)的處理和操作的說(shuō)明，這個(gè)字段使用的是SDNV編碼方式，所以0x08是這個(gè)字段的值，解碼為0001000，與RFC5050中對(duì)這個(gè)字段的規(guī)定比較，這個(gè)字段表示這是最后一個(gè)Block，與實(shí)驗(yàn)相符。

3) Block長(zhǎng)度，這字段表示這個(gè)Block中聲譽(yù)部分的長(zhǎng)度，使用SDNV編碼，所以值是0x05，表示剩余的部分有5個(gè)字節(jié)。可以查看圖9，這是正確的。

4) 負(fù)載字段，這個(gè)字段放置應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，內(nèi)容為0x68 0x65 0x6c 0x6c 0x6f，ASCII解碼為“hello”。這與實(shí)驗(yàn)是相符的，實(shí)驗(yàn)中發(fā)送的就是“hello”字符串。

Bundle的分析完成，可以看出DTN2遵守了RFC5050的規(guī)定，產(chǎn)生的Bundle是標(biāo)準(zhǔn)的，通信過(guò)程也是標(biāo)準(zhǔn)正確的。能夠?qū)崿F(xiàn)DTN協(xié)議的功能，用于部署DTN網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語(yǔ)

DTN網(wǎng)絡(luò)通過(guò)采用面向消息的覆蓋層網(wǎng)絡(luò)代替了報(bào)文的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，基于一跳的可靠傳輸代替了端到端可靠傳輸，存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)代替了存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)。這些新的特性和理念，使得它能夠很好的應(yīng)用于各種受限網(wǎng)絡(luò)，比如戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線環(huán)境、深空通信等。我們將進(jìn)一步研究DTN網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論并開(kāi)發(fā)有效的DTN應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Fall K.A Delay-Tolerant Network Architecture for Challenged Internets.in Proceedings of ACM SiGCOMM03[C].2003:27-34．

[2] Jain S，F(xiàn)all K，Patra R.Routing in a delay tolerant network[C].SIGCOMM 04，2004，34:145-158.

[3] Choi D.Delay Tolerant Networks (DTNs): A Tutorial Challenges and Applications of Delay Tolerant Networks[Z].

[4] Delay tolerant networking research group[EB/OL].http://www.dtnrg.org.

[5] Demmer M，Brewers E，F(xiàn)all K，et al.Implementing Delay Tolerant Network[Z].IRB-TR-04-020，2004，28.