空間延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略研究

燕洪成，張慶君，孫勇

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空間延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略研究

燕洪成，張慶君，孫勇

（中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

針對(duì)空間延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN, delay/disruption tolerant network）的擁塞控制問(wèn)題，提出一種基于提前卸載的擁塞控制策略（EOCC，early offloading-based congestion control）。由于空間DTN網(wǎng)絡(luò)大時(shí)延和不能保證時(shí)刻存在端到端路徑的特點(diǎn)，EOCC主要利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的本地信息在擁塞發(fā)生前就采取措施。具體地，EOCC會(huì)時(shí)刻監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)緩存變化速率，在即將發(fā)生擁塞時(shí)，將消息通過(guò)早于最優(yōu)路徑的非最優(yōu)路徑傳輸，從而緩解節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)壓力。仿真結(jié)果表明，采用EOCC的接觸圖路由獲得了更好的性能。

空間延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)；擁塞控制；提前卸載；接觸圖路由

1 引言

由于衛(wèi)星平臺(tái)和星間鏈路（ISL，inter-satellite link）的約束，衛(wèi)星所能攜帶的星間鏈路數(shù)量非常有限（比如僅能攜帶一條星間鏈路），空間網(wǎng)絡(luò)中的星間鏈路將呈現(xiàn)大時(shí)延、間斷可用和鏈路帶寬極不對(duì)稱（比如在極端情況下，半雙工）的特點(diǎn)。同時(shí)，由于地球自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星星座運(yùn)行的影響，衛(wèi)星與地面站之間的星地鏈路（GSL，ground-satellite link）也具有間斷可用的特點(diǎn)。ISL和GSL的這種間斷可用的特點(diǎn)使空間網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間并不一定時(shí)刻存在端到端路徑，使其形成一個(gè)典型的空間延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(space DTN, space delay/disruption tolerant networks)[1~3]。

圖1為一個(gè)典型空間DTN網(wǎng)絡(luò)在不同時(shí)間間隔內(nèi)的拓?fù)涫疽猓瑫r(shí)間間隔固定為Δ，稱為一個(gè)時(shí)隙。假設(shè)有6顆衛(wèi)星（圖中用圓圈表示）和1個(gè)地面站（圖中用正方形表示），2顆衛(wèi)星之間用2個(gè)單向箭頭連接說(shuō)明在該時(shí)隙內(nèi)建立了半雙工ISL，衛(wèi)星和地面站之間用雙向箭頭連接說(shuō)明在該時(shí)隙內(nèi)建立了全雙工GSL。假定每顆衛(wèi)星均配置1副ISL天線和1副GSL天線，1顆衛(wèi)星在1個(gè)時(shí)隙內(nèi)僅能選擇與另外1顆可見衛(wèi)星建立ISL，并以一定策略與地面站建立GSL。

從圖1可以看出，由于ISL和GSL間斷可用，空間DTN網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)間并不一定時(shí)刻存在端到端路徑。比如衛(wèi)星4與地面站1在任何時(shí)隙均不存在端到端路徑，但衛(wèi)星4可以在時(shí)隙[0, Δ)將消息發(fā)送給衛(wèi)星3，衛(wèi)星3暫存消息，并在時(shí)隙[2Δ, 3Δ)轉(zhuǎn)發(fā)給地面站1，最終完成消息的投遞。這種存儲(chǔ)—攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制是DTN網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)[4,5]。

DTN網(wǎng)絡(luò)最初起源于美國(guó)對(duì)行星際因特網(wǎng)的研究[1,2,6]，后來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)DTN網(wǎng)絡(luò)同樣適用于地面的許多挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)[7]。DTN網(wǎng)絡(luò)不僅適用于深空網(wǎng)絡(luò)，同樣適用于地球軌道空間網(wǎng)絡(luò)[8~11]，是一種實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)互連的潛在技術(shù)[12]。

空間DTN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)資源和通信資源一般都非常有限，而且，空間DTN網(wǎng)絡(luò)一般不能保證存在端到端路徑，消息可能長(zhǎng)時(shí)間駐留在中間節(jié)點(diǎn)，這使空間DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞（主要表現(xiàn)為持久存儲(chǔ)資源耗盡）的發(fā)生不可避免，造成網(wǎng)絡(luò)性能的下降。

由于空間DTN網(wǎng)絡(luò)較大的端到端時(shí)延和不能保證時(shí)刻存在端到端路徑，傳統(tǒng)的因特網(wǎng)擁塞控制策略不能適用于空間DTN網(wǎng)絡(luò)[13,14]。當(dāng)存儲(chǔ)資源變得稀缺時(shí)，一個(gè)DTN節(jié)點(diǎn)僅有有限的自由度來(lái)處理這種情況[2]。空間DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞的解決途徑一般有減慢源節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率，使用其他可用路徑，將消息轉(zhuǎn)移至其他存儲(chǔ)位置或丟棄消息[15]。

由于空間DTN網(wǎng)絡(luò)的鏈路具有大時(shí)延、間斷可用和帶寬極不對(duì)稱的特點(diǎn)，不能保證時(shí)刻存在端到端路徑且通信機(jī)會(huì)有限，因此空間DTN網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制應(yīng)該基于以下原則。首先，由于DTN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較難獲取鄰居或全網(wǎng)的信息，擁塞控制應(yīng)該基于節(jié)點(diǎn)的本地信息（比如接觸計(jì)劃和本地緩存）完成[16]；其次，由于在擁塞發(fā)生后可能沒有可用的通信機(jī)會(huì)來(lái)緩解擁塞，擁塞控制應(yīng)該在擁塞發(fā)生前進(jìn)行。

基于以上原則，本文提出一種基于提前卸載的擁塞控制策略（EOCC，early offloading-based congestion control），EOCC主要利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的本地信息在擁塞發(fā)生前通過(guò)其他可用路徑提前卸載節(jié)點(diǎn)緩存。具體地，EOCC會(huì)時(shí)刻監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)緩存的變化速率，在即將發(fā)生擁塞的時(shí)候，將消息通過(guò)早于最優(yōu)路徑的非最優(yōu)路徑傳輸，從而緩解節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力，降低發(fā)生擁塞的可能性。

2 相關(guān)研究

空間DTN網(wǎng)絡(luò)一般可以通過(guò)減慢源節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率[16~18]、使用其他可用路徑[19,20]，將消息轉(zhuǎn)移至其他存儲(chǔ)位置或丟棄消息來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)擁塞[15]。

減慢源節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率可以通過(guò)顯式的向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送擁塞通知，比如顯式擁塞通知[17]，或者通過(guò)拒絕代理轉(zhuǎn)發(fā)，使擁塞壓力慢慢傳回源節(jié)點(diǎn)[16]。Burleigh等[16]提出了一種自主擁塞控制策略，該策略僅需要利用本地信息，并通過(guò)拒絕代理轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制，將存儲(chǔ)壓力逐步傳回源節(jié)點(diǎn)。Rango等[18]提出了一種基于跳到跳的行星際因特網(wǎng)本地流控制機(jī)制，能夠?qū)⒈镜鼐彺婵臻g等信息通過(guò)顯式反饋逐跳回傳。但由于空間DTN網(wǎng)絡(luò)不能夠保證時(shí)刻存在端到端路徑，且端到端延時(shí)非常大，信息傳輸?shù)皆垂?jié)點(diǎn)需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)信息到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，擁塞或許已經(jīng)發(fā)生。

當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)或全網(wǎng)的緩存信息可以獲得的時(shí)候，可以通過(guò)使用其他可用路徑，避開擁塞節(jié)點(diǎn)[19,20]。Bisio等[19]提出了一種行星際網(wǎng)絡(luò)擁塞感知路由策略，通過(guò)獲取鄰節(jié)點(diǎn)的緩存占用情況來(lái)避開擁塞節(jié)點(diǎn)。Mistry等[20]提出了一種行星際自組織網(wǎng)絡(luò)緩存感知路由協(xié)議，其路由決策考慮了鄰居節(jié)點(diǎn)的緩存情況。由于接觸圖路由(CGR, contact graph routing)[21]沒有考慮排隊(duì)延時(shí)，Bezirgiannidis等[22,23]提出了一種考慮全網(wǎng)排隊(duì)延時(shí)的基于最早傳輸機(jī)會(huì)（ETO，earliest transmission opportunity）的接觸圖路由（CGR-ETO），從而可以使消息有可能避開擁塞節(jié)點(diǎn)。但空間DTN網(wǎng)絡(luò)鏈路時(shí)延非常大，且鏈路帶寬極不對(duì)稱（極限情況下半雙工或單工，圖1中為半雙工），鄰居節(jié)點(diǎn)的緩存信息可能并不可用或已經(jīng)過(guò)時(shí)。因此，空間DTN網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制應(yīng)該主要基于節(jié)點(diǎn)的本地信息[16]。此外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)即將發(fā)生擁塞時(shí)，也可以利用其他可用路徑提前卸載節(jié)點(diǎn)緩存，這是本文提出方法的出發(fā)點(diǎn)。

如果網(wǎng)絡(luò)中有其他存儲(chǔ)資源可用，當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)，可以臨時(shí)將消息轉(zhuǎn)移至其他存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)[15]。Seligman等[15]針對(duì)DTN網(wǎng)絡(luò)提出一種存儲(chǔ)路由，在擁塞發(fā)生時(shí)，利用其他有可用存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)來(lái)暫存消息。但空間DTN網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)會(huì)一般非常有限，且鏈路帶寬極不對(duì)稱，當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)，或許沒有其他路徑可以將消息轉(zhuǎn)移至其他存儲(chǔ)位置，比如圖1中所示的網(wǎng)絡(luò)，每顆衛(wèi)星僅有一條ISL，且為半雙工，這使轉(zhuǎn)移消息到其他節(jié)點(diǎn)不可行。因此，空間DTN網(wǎng)絡(luò)最好在擁塞發(fā)生前就采取措施。

丟棄消息應(yīng)該作為解決空間DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞的最后途徑，因?yàn)閬G棄消息將帶來(lái)不可避免的性能下降[2]。

Birrane[24]提出了一種預(yù)測(cè)容量消耗機(jī)制，該機(jī)制采用源路由，中間節(jié)點(diǎn)通過(guò)利用消息頭部的路徑信息來(lái)預(yù)測(cè)容量消耗。在行星際覆蓋網(wǎng)絡(luò)（ION，interplanetary overlay network）[25]中實(shí)現(xiàn)了一種擁塞預(yù)測(cè)機(jī)制，當(dāng)擁塞預(yù)測(cè)后由網(wǎng)絡(luò)管理人員手動(dòng)調(diào)整接觸計(jì)劃。Fraire等[26]提出了一種緩存CGR，該方法具有較低的計(jì)算開銷，同時(shí)保留了CGR的本地?fù)砣苊鈾C(jī)制。針對(duì)空間DTN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)性，Yang等[27]提出了一種基于二維馬爾可夫鏈的分析框架，Hu等[28]在深空通信系統(tǒng)中做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究。Jiang等[29]針對(duì)深空網(wǎng)絡(luò)提出了一種基于早期檢測(cè)和拒絕概率的擁塞控制機(jī)制，當(dāng)新消息到達(dá)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)本地可用緩存和鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量以一定概率拒絕消息。

3 基于提前卸載的擁塞控制策略

本文提出的擁塞控制策略采用接觸圖路由[21]來(lái)完成路由計(jì)算。CGR是NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室專門針對(duì)行星際因特網(wǎng)提出的一種路由算法，其利用已知的接觸計(jì)劃來(lái)計(jì)算消息轉(zhuǎn)發(fā)路徑。CGR可以計(jì)算最早投遞路徑（最早投遞到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，屬于延時(shí)最優(yōu)路徑），此條路徑稱為最優(yōu)路徑，同時(shí)，也可以計(jì)算出多條非最早投遞路徑，比如，第二最早投遞路徑、第三最早投遞路徑等，這些路徑稱為非最優(yōu)路徑。CGR的多路徑計(jì)算功能為本文提出的擁塞控制策略帶來(lái)了便利。

空間DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞的解決途徑一般有減慢源節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率，使用其他可用路徑，將消息轉(zhuǎn)移至其他存儲(chǔ)位置或丟棄消息[15]。本文提出的擁塞控制策略基于第2種途徑，通過(guò)使用其他可用路徑提前卸載節(jié)點(diǎn)緩存。傳統(tǒng)基于其他可用路徑的擁塞控制策略一般根據(jù)非本地節(jié)點(diǎn)的緩存狀況來(lái)決定是否利用其他可用路徑，而EOCC根據(jù)本地節(jié)點(diǎn)的緩存狀況來(lái)決定是否利用其他可用路徑，從而只需要利用節(jié)點(diǎn)的本地信息。具體地，EOCC會(huì)時(shí)刻監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)緩存的變化速率，在即將發(fā)生擁塞的時(shí)候，將消息通過(guò)早于最優(yōu)路徑的非最優(yōu)路徑傳輸，從而緩解節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)壓力。

3.1 緩存變化速率監(jiān)測(cè)

緩存變化速率的監(jiān)測(cè)主要用于判斷網(wǎng)絡(luò)是否即將發(fā)生擁塞，以決定是否利用非最優(yōu)路徑提前卸載緩存。為了降低復(fù)雜度和計(jì)算開銷，選用一個(gè)簡(jiǎn)單的移動(dòng)加權(quán)指數(shù)平均（EWMA，exponential weighted moving average）方法。

不失一般性，假定每個(gè)存儲(chǔ)的消息占用節(jié)點(diǎn)的一個(gè)緩存單位，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存容量為cap。節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)緩存變化速率按式(1)進(jìn)行測(cè)量，并按式(2)采用EWMA預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)未來(lái)的緩存變化速率。

(2)

其中，size()為時(shí)刻測(cè)量的緩存大小，t?1<t，≥1，0=0，size(0)=0；rate()為時(shí)刻測(cè)量的緩存瞬時(shí)變化速率；rate()為時(shí)刻預(yù)測(cè)的未來(lái)緩存變化速率，rate(0)=0，為指數(shù)加權(quán)因子，表示對(duì)歷史信息的權(quán)重。需要指出的是，緩存變化速率可正可負(fù)，正數(shù)表示緩存增加速率，負(fù)數(shù)表示緩存減小速率。

3.2 通過(guò)提前卸載避免擁塞

緩存變化速率主要用來(lái)估計(jì)當(dāng)前消息在等待未來(lái)最優(yōu)路徑接觸機(jī)會(huì)可用的時(shí)間內(nèi)是否會(huì)經(jīng)歷緩存溢出，如果會(huì)經(jīng)歷溢出，那么本文嘗試通過(guò)當(dāng)前可用的非最優(yōu)路徑發(fā)送消息，提前對(duì)節(jié)點(diǎn)緩存進(jìn)行卸載。圖2為這一情況的一個(gè)示例場(chǎng)景。圖2(a)為一個(gè)DTN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠?個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1的緩存容量為cap，當(dāng)前緩存大小為size，按前面提到的方法預(yù)測(cè)緩存變化速率為rate。節(jié)點(diǎn)1緩存的消息可以經(jīng)過(guò)與節(jié)點(diǎn)2相連的邊2或與節(jié)點(diǎn)3相連的邊3到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，邊2和邊3用虛線表示表明它們并不是持續(xù)可用的。假設(shè)節(jié)點(diǎn)2位于消息的第1最早投遞路徑上，節(jié)點(diǎn)3位于第2最早投遞路徑上。圖2(b)為邊2和邊3的接觸計(jì)劃，其中，邊3的接觸機(jī)會(huì)在當(dāng)前時(shí)刻now開始，邊2的接觸機(jī)會(huì)在earliest時(shí)刻開始。

(a) DTN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠?/p>

(b) 邊2和邊3的接觸計(jì)劃

圖2 可以利用非最優(yōu)路徑提前卸載的示例場(chǎng)景

節(jié)點(diǎn)1的消息如果按照最早投遞路徑轉(zhuǎn)發(fā)的話，需要等待earliest時(shí)刻的接觸機(jī)會(huì)，但如果下式成立

那么，消息在等待最早投遞路徑可用的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)1的緩存會(huì)發(fā)生溢出，從而導(dǎo)致消息（其他消息和/或消息）可能被丟棄。而當(dāng)前可用的邊3的接觸機(jī)會(huì)正好在消息的第2最早投遞路徑上（第2最早投遞路徑當(dāng)前可用），如果此接觸機(jī)會(huì)還有通信容量剩余，那么可以利用第2最早投遞路徑提前把消息轉(zhuǎn)發(fā)出去。這帶來(lái)2點(diǎn)好處：1) 降低了消息被丟棄的可能性；2) 及時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)1的緩存進(jìn)行卸載，從而緩解擁塞。

為了更簡(jiǎn)單地描述提出的擁塞控制策略，圖2中僅顯示了第2最早投遞路徑。實(shí)際上，提出的擁塞控制策略會(huì)依次檢查第3最早投遞路徑，第4最早投遞路徑…。通過(guò)設(shè)置一個(gè)參數(shù)來(lái)描述檢查的非最優(yōu)路徑數(shù)量。

具體地，當(dāng)一個(gè)接觸機(jī)會(huì)可用時(shí)，節(jié)點(diǎn)決策的流程如圖3所示。

其中，集合為待發(fā)送的消息集合，cap為接觸機(jī)會(huì)的剩余通信容量，且隨集合的變化而更新，size為消息的大小，為臨時(shí)變量，為檢查的非最優(yōu)路徑數(shù)量。首先，節(jié)點(diǎn)會(huì)遍歷緩存，提取當(dāng)前能夠按最早投遞路徑發(fā)送的消息，添加進(jìn)集合；然后，如果當(dāng)前接觸機(jī)會(huì)仍然有通信容量可用（已經(jīng)扣除集合中消息占用的通信容量），那么再次遍歷緩存中的消息。對(duì)于緩存中的每一個(gè)消息，如果式(3)滿足且接觸機(jī)會(huì)剩余通信容量大于消息大小，那么消息在等待最優(yōu)路徑可用的過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷緩存溢出，因此需要檢查消息能否通過(guò)早于最優(yōu)路徑的非最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)。首先檢查該消息當(dāng)前能否按第2最早投遞路徑發(fā)送，如果能發(fā)送，則將消息添加進(jìn)集合，否則，繼續(xù)檢查第3最早投遞路徑（如果≥2的話）；如果該消息當(dāng)前能按第3最早投遞路徑發(fā)送，則將消息添加進(jìn)集合，否則，繼續(xù)檢查第4最早投遞路徑（如果≥3的話），以此類推。一共檢查最多條非最優(yōu)路徑，在仿真評(píng)估部分，也測(cè)試了取不同值時(shí)擁塞控制策略的性能。

4 性能評(píng)估

4.1 仿真環(huán)境

為了評(píng)估提出的擁塞控制策略的性能，在典型的空間DTN網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。空間DTN網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)中地球軌道衛(wèi)星星座及相關(guān)的地面站與任務(wù)運(yùn)行中心（MOC，mission operation center）組成。衛(wèi)星星座構(gòu)型選擇walker-δ 24/3/2，即一共有24顆衛(wèi)星分布在3個(gè)軌道面內(nèi)，且相位因子為2。衛(wèi)星軌道高度為20 232 km，軌道傾角為55°。每顆衛(wèi)星僅裝配一條ISL，且為半雙工。每個(gè)地面站均配置2副天線與2顆可見衛(wèi)星建立全雙工GSL。地面站選擇未來(lái)與自己可見時(shí)間最長(zhǎng)的2顆衛(wèi)星建立GSL，即采用最長(zhǎng)覆蓋時(shí)間策略建立GSL[30]。地面站與MOC之間通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻保持連通。空間DTN網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)如圖4所示。

由于受地球遮擋和星間鏈路指向方位角的限制，并不是所有衛(wèi)星間均可建立星間鏈路，星間鏈路的指向方位角限定在[?60°, +60°]，星間鏈路天線的波束中心對(duì)準(zhǔn)地心[31]。衛(wèi)星選擇與哪顆其他可見衛(wèi)星建立ISL屬于DTN的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題[32]，不在本文的研究范圍之內(nèi)。因此，為簡(jiǎn)便起見，ISL的鏈路調(diào)度按每顆衛(wèi)星均能與全周期可見的同軌和異軌衛(wèi)星建立半雙工ISL的策略手動(dòng)生成，鏈路調(diào)度一共有8個(gè)時(shí)隙，并以此為周期循環(huán)，每個(gè)時(shí)隙的間隔固定為?。ISL的鏈路調(diào)度可以用一個(gè)24×8的矩陣表示，如圖5所示。矩陣的元素(,)表示衛(wèi)星與衛(wèi)星(,)，在第個(gè)時(shí)隙建立半雙工ISL。例如，位于第2行、第3列的13表示在第3個(gè)時(shí)隙，衛(wèi)星2與衛(wèi)星13建立半雙工ISL。對(duì)于半雙工ISL，約定在前半個(gè)，序號(hào)小的衛(wèi)星先發(fā)送，序號(hào)大的衛(wèi)星接收，后半個(gè)正好相反。

CGR使用的接觸計(jì)劃包括3部分：第1部分是ISL的接觸計(jì)劃，由圖5生成；第2部分是GSL的接觸計(jì)劃，根據(jù)最長(zhǎng)覆蓋時(shí)間策略生成；第3部分是連接地面站與MOC的地面網(wǎng)絡(luò)鏈路的連接計(jì)劃，這部分始終連通。

在OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中對(duì)空間DTN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模，并實(shí)現(xiàn)了提出的擁塞控制策略。OPNET默認(rèn)的仿真參數(shù)如表1所示，后文中，若無(wú)特殊說(shuō)明，均采用此默認(rèn)仿真參數(shù)。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的緩存容量默認(rèn)設(shè)置為20個(gè)消息，地面站和任務(wù)運(yùn)行中心的緩存容量為無(wú)限大。空間DTN網(wǎng)絡(luò)中的流量分為2部分：一部分是衛(wèi)星產(chǎn)生的，消息的產(chǎn)生服從指數(shù)分布，目的節(jié)點(diǎn)為MOC，消息平均到達(dá)時(shí)間間隔為0.4 s；另一部分是MOC產(chǎn)生的，消息產(chǎn)生也服從指數(shù)分布，目的節(jié)點(diǎn)為隨機(jī)一顆衛(wèi)星，消息平均到達(dá)時(shí)間間隔為0.2 s。

表1 OPNET默認(rèn)仿真參數(shù)

4.2 性能度量

采用的性能度量指標(biāo)分別為消息投遞成功率、流量分布指數(shù)和平均端到端時(shí)延。消息投遞成功率是DTN廣泛采用的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即成功投遞到目的地的消息占網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的所有消息的百分比。

為了探究流量在整個(gè)衛(wèi)星星座中的分布情況，采用如下流量分布指數(shù)[33]

其中，表示衛(wèi)星的數(shù)量，x表示衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的緩存在整個(gè)仿真過(guò)程中的平均大小。這個(gè)指數(shù)的范圍為0~1，表示流量在整個(gè)星座中的分布情況，數(shù)值越大表示流量在整個(gè)星座中分布越均勻，從而更不容易發(fā)生擁塞。需要指出的是流量分布指數(shù)僅統(tǒng)計(jì)流量在衛(wèi)星星座中的分布，而沒有統(tǒng)計(jì)在地面站和任務(wù)運(yùn)行中心的分布。

平均端到端時(shí)延為所有消息在網(wǎng)絡(luò)中從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)投遞成功所經(jīng)歷的平均時(shí)間，由于沒有辦法測(cè)量未成功投遞消息的延時(shí)，平均端到端時(shí)延僅統(tǒng)計(jì)了成功投遞的消息。

4.3 仿真結(jié)果

仿真比較了沒有添加擁塞控制策略的CGR與添加EOCC的CGR（CGR-CC）。CGR-CC一共比較了3種使用不同數(shù)量非最優(yōu)路徑的情況，分別為CGR-CC（=1）、CGR-CC（=2）、CGR-CC（=3）。

4.3.1 節(jié)點(diǎn)緩存容量的影響

圖6為CGR和CGR-CC在不同節(jié)點(diǎn)緩存容量時(shí)的性能，緩存容量分別為10、20、40、80、160個(gè)消息，圖中橫坐標(biāo)采用lb刻度。

圖6（a）為4種策略的消息投遞成功率與不同緩存容量的關(guān)系。對(duì)于4種不同的策略，在節(jié)點(diǎn)緩存容量?jī)H為10個(gè)消息的時(shí)候，消息投遞成功率都很低。因?yàn)榫彺嫒萘亢苄。挥蟹浅Ｉ俚南⒛軌虼鎯?chǔ)下來(lái)，并最終成功投遞到目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)緩存容量逐漸增大的時(shí)候，4種不同策略的消息投遞成功率也都增加，因?yàn)橛懈嗟木彺鎭?lái)存儲(chǔ)消息，并最終成功投遞到目的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，當(dāng)緩存容量逐漸增大的時(shí)候，采用擁塞控制策略的CGR-CC比沒有采用擁塞控制策略的CGR獲得了更高的消息投遞成功率。這是因?yàn)镃GR-CC在即將發(fā)生擁塞的時(shí)候會(huì)利用當(dāng)前可用的非最優(yōu)路徑提前對(duì)節(jié)點(diǎn)緩存進(jìn)行卸載，緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而增加消息投遞成功的可能性。

當(dāng)利用的非最優(yōu)路徑數(shù)量逐漸增多時(shí)，消息投遞成功率得到了進(jìn)一步的改進(jìn)，但隨著可利用的非最優(yōu)路徑數(shù)量的增多，改進(jìn)越來(lái)越小。這是由于利用非最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)的消息會(huì)比利用最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)的消息經(jīng)歷更長(zhǎng)的延時(shí)（第2、第3等最早投遞路徑延時(shí)越來(lái)越大），從而更長(zhǎng)時(shí)間的占用網(wǎng)絡(luò)資源，因此其帶來(lái)的性能改進(jìn)會(huì)越來(lái)越小。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)的緩存資源非常充足時(shí)，比如節(jié)點(diǎn)緩存容量為160個(gè)消息時(shí)，CGR和CGR-CC的消息投遞成功率變得非常接近，都接近100%。因?yàn)榫彺尜Y源非常充足，所有的消息都沿著最早投遞路徑轉(zhuǎn)發(fā)，不再需要擁塞控制。這同時(shí)也說(shuō)明，擁塞控制策略只在緩存有限的情況下有必要，而空間DTN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)資源通常都非常有限。

圖6(b)為4種不同策略的流量分布指數(shù)與不同緩存容量的關(guān)系。對(duì)于4種不同的策略，隨著緩存容量的增加，流量分布指數(shù)變得越來(lái)越小。一種可能的解釋是，在緩存容量小的時(shí)候，由于緩存不能夠存儲(chǔ)所有的消息，所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的緩存幾乎都是滿的，因此流量看上去比較均勻；而隨著緩存容量的增大，不同衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)承受不同負(fù)荷流量的現(xiàn)象開始顯現(xiàn)，因此，流量分布越來(lái)越不均勻。在緩存容量很小的時(shí)候，4種策略的流量分布指數(shù)都接近1；在緩存容量很大時(shí)，不需要擁塞控制策略，因此，4種策略的流量分布指數(shù)也非常接近。在緩存容量有限時(shí)，可以看出，CGR-CC的流量分布指數(shù)比CGR獲得了一定的改進(jìn)，這說(shuō)明擁塞控制策略可以使網(wǎng)絡(luò)的流量分布更均勻，從而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。隨著取值的增大，進(jìn)一步的性能提高變得越來(lái)越小。

(a) 消息投遞成功率

(b) 流量分布指數(shù)

圖6(c)為4種不同策略的平均端到端時(shí)延與不同緩存容量的關(guān)系。可以看出，隨著緩存容量的增大，消息的平均端到端時(shí)延也增大。這是因?yàn)榇罅烤彺娴南⒃黾恿伺抨?duì)延時(shí)，從而增加了平均端到端延時(shí)，增加的排隊(duì)延時(shí)也會(huì)使消息錯(cuò)過(guò)當(dāng)前接觸機(jī)會(huì)，從而進(jìn)一步增大端到端延時(shí)。由于CGR-CC通過(guò)利用非最優(yōu)路徑提前卸載節(jié)點(diǎn)緩存，降低發(fā)生擁塞的可能性，因此其端到端時(shí)延會(huì)相應(yīng)增大。這可以看作CGR-CC為了獲得更高的投遞成功率并實(shí)現(xiàn)更均勻的網(wǎng)絡(luò)流量分布所付出的代價(jià)。隨值的增大，增大的端到端延時(shí)越來(lái)越小。

4.3.2 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響

圖7為CGR和CGR-CC在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)的性能，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以衛(wèi)星消息到達(dá)時(shí)間的間隔表示，衛(wèi)星的消息到達(dá)時(shí)間的間隔在0.2~1.0 s，即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不斷增大，任務(wù)運(yùn)行中心的消息到達(dá)時(shí)間的間隔保持不變。

圖7(a)為4種策略的消息投遞成功率與不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的關(guān)系。可以看出，隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大，4種不同策略的消息投遞成功率均呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)橛邢薜木彺娌荒艽鎯?chǔ)產(chǎn)生越來(lái)越多的消息，因此，越來(lái)越多的消息不能投遞到目的地。由于CGR-CC通過(guò)提前卸載緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而增加了消息投遞成功的可能性，因此，CGR-CC的投遞成功率比CGR要高。當(dāng)利用的非最優(yōu)路徑數(shù)量逐漸增多時(shí)，消息投遞成功率得到了進(jìn)一步的改進(jìn)，但隨著可利用的非最優(yōu)路徑數(shù)量的增多，改進(jìn)越來(lái)越小。正如前面提到的，這是由于利用非最優(yōu)路徑的消息要經(jīng)歷更長(zhǎng)的延時(shí)到達(dá)目的地，從而占用網(wǎng)絡(luò)資源的時(shí)間更長(zhǎng)，因此其帶來(lái)的性能改進(jìn)也越來(lái)越小。

圖7(b)為4種不同策略的流量分布指數(shù)與不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的關(guān)系。對(duì)于4種不同的策略，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大，流量分布指數(shù)逐漸增大。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大使所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)有限的緩存都充滿了消息，因此流量比較均勻。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很大時(shí)，所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的緩存都充滿了消息，擁塞控制策略不能使流量分布更均勻，因此，4種策略的流量分布指數(shù)接近。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，CGR-CC的流量分布指數(shù)比CGR有較大的改進(jìn)。而隨著取值的增大，進(jìn)一步的改進(jìn)越來(lái)越小。需要指出的是，在消息到達(dá)時(shí)間的間隔為0.4 s時(shí)，CGR (=3)的流量分布指數(shù)比CGR (=2)要小。這是因?yàn)椋S著的增大，提前卸載的消息會(huì)經(jīng)歷更長(zhǎng)的延時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)時(shí)間地占用網(wǎng)絡(luò)資源，從而可能抵消提前卸載帶來(lái)的好處。

(a) 消息投遞成功率

(b) 流量分布指數(shù)

圖7(c)為4種不同策略的平均端到端時(shí)延與不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的關(guān)系。可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大，平均端到端時(shí)延也增大。這是因?yàn)榇罅慨a(chǎn)生的消息增加了排隊(duì)延時(shí)，從而增加了端到端延時(shí)，增加的排隊(duì)延時(shí)也會(huì)使消息錯(cuò)過(guò)當(dāng)前接觸機(jī)會(huì)，從而進(jìn)一步增大平均端到端延時(shí)。由于CGR-CC通過(guò)利用非最優(yōu)路徑來(lái)緩解擁塞，因此其端到端時(shí)延會(huì)相應(yīng)增大。隨值的增大，增大的平均端到端延時(shí)越來(lái)越小。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于空間DTN網(wǎng)絡(luò)具有較大的時(shí)延且不能保證時(shí)刻存在端到端路徑，消息可能長(zhǎng)時(shí)間駐留在中間節(jié)點(diǎn)，而且由于空間DTN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般只能攜帶有限的存儲(chǔ)資源，因此，空間DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生不可避免。本文提出一種基于提前卸載的擁塞控制策略，利用其他可用路徑提前對(duì)節(jié)點(diǎn)緩存進(jìn)行卸載，以降低發(fā)生擁塞的可能性。仿真結(jié)果表明，采用提出的擁塞控制策略的接觸圖路由可以獲得更高的消息投遞成功率，實(shí)現(xiàn)更均勻的網(wǎng)絡(luò)流量分布。由于采用提出的擁塞控制策略后，消息將沿著非最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)以降低擁塞發(fā)生的可能性，因此，消息的平均端到端延時(shí)會(huì)增大，這可以看作是為了獲得更高的消息投遞成功率和更均勻的網(wǎng)絡(luò)流量分布而付出的代價(jià)。

[1] BURLEIGH S, HOOKE A, TORGERSON L, et al. Delay-tolerant networking: an approach to interplanetary Internet[J]. IEEE Communications Magazine, 2003, 41(6): 128-136.

[2] Delay-tolerant networking architecture, RFC 4838[EB/OL]. http:// tools.ietf.org/html/rfc4838, 2015-12-01.

[3] 林闖, 董揚(yáng)威, 單志廣. 基于DTN的空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)服務(wù)研究綜述[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展, 2014, 51(5): 931-943.

LIN C, DONG Y W, SHAN Z G. Research on space internetworking service based on DTN[J]. Journal of Computer Research and Development, 2014, 51(5): 931-943.

[4] ZHANG Z. Routing in intermittently connected mobile ad hoc networks and delay tolerant networks: overview and challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2006, 8(1): 24-37.

[5] CAO Y, SUN Z. Routing in delay/disruption tolerant networks a taxonomy, survey and challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2013, 15(2): 654-677.

[6] HOOKE A. The interplanetary Internet[J]. Communications of The ACM, 2001, 44(9): 38-40.

[8] CAINI C, CRUICKSHANK H, FARRELL S, et al. Delay-and disruption-tolerant networking (DTN): an alternative solution for future satellite networking applications[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(11): 1980-1997.

[9] Space-data routers[EB/OL]. http://www.spacedatarouters.eu/, 2015- 12-01.

[10] DAVIS F A, MARQUART J K, MENKE G. Benefits of delay tolerant networking for earth science missions[C]//2012 IEEE Aerospace Conference. Big Sky, USA,c2012:1-11.

[11] 燕洪成, 張慶君, 孫勇, 等. 延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在行星際因特網(wǎng)中的應(yīng)用 [J]. 航天器工程, 2014, 23(2): 114-123.

YAN H C, ZHANG Q J, SUN Y, et al. Delay/disruption tolerant network and its application to interplanetary Internet[J]. Spacecraft Engineering, 2014, 23(2): 114-123.

[12] BURLEIGH S, CERF V, CROWCROFT J, et al. Space for internet and internet for space[J]. Ad Hoc Networks, 2014, 23:80-86.

2）參見參考文獻(xiàn)[1]第40至42頁(yè)，恩伯托·埃科（Umber t o Eco）認(rèn)為建筑必須建立在現(xiàn)有代碼的基礎(chǔ)上，那些屬于建筑方面的代碼，作為建筑處理的慣用語(yǔ)體系和早已得出的信息處理方法體系起作用，建筑信息就成了大眾要求、承認(rèn)和期待的東西。

[13] SILVA A P, BURLEIGH S, HIRATA C M, et al. A survey on congestion control for delay and disruption tolerant networks[J]. Ad Hoc Networks, 2014, 25:480-494.

[14] SOELISTIJANTO B, HOWARTH M P. Transfer reliability and congestion control strategies in opportunistic networks: a survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2014, 16(1): 538-555.

[15] SELIGMAN M, FALL K, MUNDUR P. Storage routing for DTN congestion control[J]. Wireless Communications and Mobile Computing, 2007, 7(10): 1183-1196.

[16] BURLEIGH S, JENNINGS E, SCHOOLCRAF J. Autonomous congestion control for an interplanetary internet[C]//2006 The 9th International Conference on Space Operations (SpaceOps). Rome, Italy, c2006: 1-10.

[17] BISIO I, CELLO M, DE COLA T, et al. Combined congestion control and link selection strategies for delay tolerant interplanetary networks[C]//2009 IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2009). Honolulu, USA, c2009: 1-6.

[18] RANGO F D. Hop-by-hop local flow control over interplanetary networks based on DTN architecture[C]//2008 IEEE International Conference on Communications (ICC 2008). Beijing, China, c2008: 1920-1924.

[19] BISIO I, MARCHESE M, DECOLA T. Congestion aware routing strategies for DTN-based interplanetary networks[C]//2008 IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2008). New Orleans, USA, c2008: 1-5.

[20] MISTRY K, SRIVASTAVA S. Buffer aware routing in interplanetary ad hoc network[C]//2009 First International Communication Systems and Networks and Workshops. Bangalore, India, c2009: 1-10.

[21] Contact graph routing, IRTF Internet-Draft, draft-burleigh-dtnrg- cgr-01[EB/OL]. http://tools.ietf.org/html/draft-burleigh-dtnrg-cgr-01, 2015-12-01.

[22] BEZIRGIANNIDIS N, TSAPELI F. Towards flexibility and accuracy in space DTN communications[C]//2013 The 8th ACM MobiCom Workshop on Challenged Networks. Miami, USA, c2013: 43-48.

[23] BEZIRGIANNIDIS N, CAINI C, MONTENERO D D P, et al. Contact graph routing enhancements for delay tolerant space communications[C]//The 7th Advanced Satel-lite Multimedia Systems Conference and the 13th Signal Processing for Space Communications Workshop (ASMS/SPSC). Livorno, Italy, c2014: 17-23.

[24] BIRRANE E J. Congestion modeling in graph-routed delay tolerant networks with predictive capacity consumption[C]//2013 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM). Atlanta, USA, c2013: 3016-3022.

[25] Interplanetary overlay network (ION)[EB/OL]. http://sourceforge.net/ projects/ion-dtn/, 2015-12-01.

[26] FRAIRE J A, MADOERY P, FINOCHIETTO J M. Leveraging routing performance and congestion avoidance in predictable delay tolerant networks[C]//2014 IEEE International Conference on Wireless for Space and Extreme Environments (WiSEE). Noordwijk, Netherlands, c2014: 1-7.

[27] YANG Z, ZHANG Q, WANG R, et al. On storage dynamics of space delay/disruption tolerant network node[J]. Wireless Networks, 2014, 20(8): 2529-2541.

[28] HU J, WANG R, SUN X, et al. Memory dynamics for DTN protocol in deep-space communications[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2014, 29(2): 22-30.

[29] JIANG G, SHEN Y, CHEN J. Early detection and rejection probability-based congestion control scheme for deep space networks[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2014, doi: 10.1002/sat.1094

[30] CHEN C. A routing protocol for hierarchical LEO/MEO satellite IP networks[J]. Wireless Networks, 2005, 4(11): 507-521.

[31] 李振東, 何善寶, 劉崇華, 等. 一種導(dǎo)航星座星間鏈路拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法 [J]. 航天器工程, 2011, 20(3): 32-37.

LI Z D, HE S B, LIU C H, et al. An topology design method of navigation satellite constellation inter-satellite links[J]. Spacecraft Engineering, 2011, 20(3): 32-37.

[32] FRAIRE J A, MADOERY P G, FINOCHIETTO J M. On the design and analysis of fair contact plans in predictable delay-tolerant networks[J]. IEEE Sensors Journal, 2014, 14(11): 3874-3882.

[33] TALEB T, MASHIMO D, JAMALIPOUR A, et al. Explicit load balancing technique for NGEO satellite IP networks with on-board processing capabilities [J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2009, 17(1): 281-293.

On congestion control strategy for space delay/disruption tolerant networks

YAN Hong-cheng, ZHANG Qing-jun, SUN Yong

(Institute of Spacecraft System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

To address the congestion control problem in space DTN (delay/disruption tolerant networks), an EOCC (early offloading-based congestion control) strategy was proposed. As space DTN was often subject to high latency and end-to-end continuous connectivity could not be guaranteed, EOCC takes measures before congestion occurs with local information only. More specifically, EOCC will monitor the buffer rate at all times and attempts to relieve the storage pressure by early offloading the node buffer through non-best paths which are earlier than the best path when the network is about to congest. Simulation results show that contact graph routing with the proposed congestion control strategy achieves better performance.

space delay/disruption tolerant network, congestion control, early offloading, contact graph routing

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016016

2014-12-08；

2015-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.91438102)

The National Natural Science Foundation of China (No.91438102)

燕洪成（1985-），男，山東淄博人，中國(guó)空間技術(shù)研究院博士生，主要研究方向?yàn)榭臻g信息網(wǎng)絡(luò)和空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。

張慶君（1969-），男，江蘇徐州人，博士，中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員，主要研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星遙感等。

孫勇（1975-），男，山東青島人，中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員，主要研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。