DTN網絡路由技術研究綜述

余侃民　鐘　赟　孫　昱　楊　娟

1(空軍工程大學信息與導航學院　陜西 西安 710077)2(中國人民解放軍93010部隊　遼寧 沈陽 110015)

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DTN網絡路由技術研究綜述

余侃民1鐘赟1孫昱1楊娟2

1(空軍工程大學信息與導航學院陜西 西安 710077)2(中國人民解放軍93010部隊遼寧 沈陽 110015)

摘要延遲/中斷容忍網DTN(Delay/Disruption Tolerant Network)是一種與傳統IP網絡有本質區別的新型網絡，適用于難以形成穩定端到端連接鏈路的通信環境。首先分析DTN網絡的特性，然后描述DTN路由技術的分類方法，并從有無基礎設施輔助的角度對各種DTN路由技術進行總結分析。最后介紹DTN路由技術的評價指標和評估方法，展望未來DTN路由技術的發展。

關鍵詞DTN網絡路由技術分類評估

0引言

實踐表明，傳統TCP/IP協議的平穩運行主要依賴于三個主要的底層鏈路特性：(1)源節點與目的節點間存在穩定的端到端鏈路；(2)任意節點之間的最大往返時間RTT(Round Trip Time)較小；(3)數據報文在傳輸過程中丟失概率較小。然而在一些特定的通信環境中，如機動通信環境、受干擾的通信環境，這些條件難以滿足。

針對TCP/IP協議在這些通信環境中遭遇的挑戰，研究人員提出了延遲/中斷容忍網絡DTN的概念。DTN網絡適用于鏈路不穩定、數據傳輸延遲大、數據傳輸丟失率高的極端通信環境，在交通網絡[1]、偏遠地區網絡[2-4]、地震緊急救援網絡[5]、野生動物追蹤網絡[6,7]、空氣質量監控網絡[8]、農地數據收集網絡[9]、戰場網絡[10,11]和衛星通信網絡[12]等領域得到廣泛應用。

為在DTN網絡中準確、快速、安全地進行數據傳輸，研究人員對DTN的體系結構、路由設計、擁塞控制、安全機制、移動模型、仿真平臺等方面[13-17]進行了廣泛深入的研究。其中，路由設計問題是DTN網絡研究中的關鍵問題，合理的路由算法能夠確保消息以較小的代價、較短的時間從源節點傳遞到目的節點。DTN網絡的路由設計問題具有不同于傳統IP網絡的約束條件和適用范圍。因此不能將基于TCP/IP協議的路由算法簡單套用，需要在分析DTN網絡特性的基礎上進行針對性設計。

近年來，針對不同應用背景下的DTN網絡，研究人員在路由目標、機制、評估等方面取得了大量研究成果。本文首先描述DTN的網絡特性，然后總結、分析目前的DTN路由技術，介紹DTN路由的評估方法，最后展望DTN路由技術未來的發展。

1DTN網絡特性

自從DTN被提出后，其應用領域隨著研究的深入而不斷擴展，例如將延遲/中斷的概念引入傳感器網絡中，形成了延遲/中斷容忍移動傳感器網絡DTMSN(Delay/Disruption Tolerant Mobile Sensor Network)[18]；通過概括DTN中節點間消息轉發機制的特點，形成了機會網絡[19]等。盡管目前DTN的內涵和外延都經歷了較大的衍變，但其本質都是一致的，即網絡中的節點利用相遇機會實現消息的遞交，從而在通信環境較為惡劣時實現較好的網絡性能。

DTN的體系結構在很大程度上區別于TCP/IP，其在傳輸層和應用層之間增加了束層用于實現DTN的保管傳輸機制。束層的消息傳輸以底層協議為基礎，如TCP、UDP、IP等。束層通過不同的匯聚層協議，如TCPCLP、Saratoga、LTP，與底層的TCP、UDP、IP協議相對應，從而形成“存儲—攜帶—轉發”特性的網絡結構。

區別于傳統的端到端傳輸模式，束層通過一種消息持久存儲器來實現消息的保管傳輸機制，從而降低節點間鏈路斷開對消息傳輸造成的影響。圖1為端到端傳輸和保管傳輸機制的對比。在保管傳輸機制中，每個節點的緩存中保存摘要向量SV(Summary Vector)，用于記錄自身的節點狀態信息。當相遇時雙方節點互換SV以探知對方節點狀態，消息也被存儲在節點緩存中；當節點相遇時，消息持有節點根據一定的機制決定是否轉發緩存中的消息以及轉發后是否刪除該消息。

圖1　端到端傳輸和保管傳輸機制對比

DTN網絡的特點主要包括以下三個方面：

(1) 鏈路連接不可持續。在節點運動的通信環境中，各個通信節點的鏈路連接具有間斷性，這就要求路由設計時必須考慮到正常工作時的通信中斷問題；且DTN網絡拓撲結構動態多變，路由協議必須具有自適應性。

(2) 信道速率不對稱。移動通信設備的天線功率受限，信道速率呈現非對稱特性(雙向信息速率甚至可達1000∶1)[20]，在某些極端的通信環境下，信道甚至可能是單向的。在長距無線信道中，質量較差的通信鏈路還容易導致信息傳輸過程中誤碼率較大。

(3) 網絡節點資源受限。DTN網絡通常應用于深空、戰場、偏遠地區等環境中，受重量和體積限制，網絡節點攜帶的資源如電力資源、緩存資源等有限，這將在一定程度上影響網絡中消息的遞交。因此，需要考慮節省資源的相應策略，從而提高資源的利用效率。

2DTN路由技術

目前，對DTN路由技術研究較多，分類方法也有多種方案。按照路由模式分類，可分為單播、組播和任播路由技術；按照節點移動模型分類，可分為節點隨機移動模型路由技術和節點受控移動模型路由技術；按照副本數量分類，可分為單副本路由技術和多副本路由技術；按照有無先驗知識分類，可分為有先驗知識路由技術和無先驗知識路由技術；按照有無網絡編碼分類，可分為編碼路由技術和非編碼路由技術；按照有無基礎設施分類，可分為無基礎設施路由技術和基礎設施輔助路由技術，其中無基礎設施路由技術又可分為基于復制、基于效用、基于預測、基于編碼、基于社區的路由技術，基礎設施輔助路由技術又可分為固定設施輔助路由技術和移動設施輔助路由技術。如圖2所示，為單播路由技術中按照有無基礎設施輔助進行的分類方法。下面按圖2中的分類方法，對DTN路由技術進行分析說明。

圖2　DTN路由技術分類

2.1無基礎設施路由技術

2.1.1基于復制的路由技術

基于復制的路由技術原理是通過網絡中節點的相遇將消息進行復制轉發，在消息擴散的過程中必然會占用大量的網絡資源。因此基于復制的路由技術是以網絡開銷為代價換取消息遞交率的優化。目前，基于復制的路由技術主要包括：Epidemic[21]、Spray and Wait[22]、PROPHET[23]、RAB-ADP[24]、MRP[25]、RDAD[26]等。

Epidemic采用多拷貝泛洪的路由機制，一旦存在通信機會，節點盡可能多地轉發消息，并且缺乏必要的緩存管理機制，消息長期駐存緩存。該技術適用于節點移動性較強且網絡資源較為充足的網絡環境，在節點網絡資源受限時易陷入擁塞，導致消息轉發效率的下降。

Spray and Wait采用有限拷貝轉發的路由策略，源節點采用洪泛機制轉發報文至下一跳節點，直到相遇目標節點才進行消息的遞交，其本質為兩跳路由。相比于Epidemic，能夠有效避免節點擁塞，但平均時延仍然較大。

PROPHET為特殊的基于復制的概率路由技術，不同于Epidemic的無原則轉發和Spray and Wait的有限轉發，PROPHET通過消息持有節點、中繼節點與目的節點的相遇情況定義消息遞交概率值，并按照消息持有節點和中繼節點消息遞交概率值的大小關系決定是否轉發消息。當兩節點相遇時，即都進入彼此通信范圍時，節點遞交概率值更新公式為P(a,b)=P(a,b)old+(1-P(a,b)old)×Pinit，其中，Pinit是遞交概率初始值，取值為(0,1]，可以看出，節點相遇越頻繁，則遞交概率相對也就越高；當節點久未相遇時，節點遞交概率值老化公式為P(a,b)=P(a,b)old×γk，其中，k表示當前時刻距離上次老化的時間單位數，γ為老化因子，取值為(0,1)，控制遞交概率老化的速率；當節點a與b經常相遇，b與c兩節點也經常相遇，則可以認為節點b是a與c的良好中間節點，節點遞交概率值傳遞公式為P(a,c)=P(a,c)old+(1-P(a,c)old)×P(a,b)×P(b,c)×ξ，其中，ξ為傳遞因子，取值為(0,1]。

Li等[27]綜合考慮節點相遇頻率和相遇持續時間，對PROPHET的更新、老化和傳遞公式進行了改進，提出了增強型PROPHET(Enhanced PROPHET, E-PROPHET)，降低了平均時延和網絡開銷。文獻[23]結合PROPHET和Spray and Wait，提出了基于平均傳遞概率的組合RAB-ADP算法，通過設置時間相關的平均轉發預測概率實現轉發決策，避免了PROPHET的路由抖動問題。此外，文獻[28]對經典的PROPHET算法從遞交概率計算公式、參數設置等方面進行了改進。

MRP的原理是在IP層上增加了一個MRP層，用于中繼低層無法路由的消息，是移動Ad hoc網絡路由技術與隨機轉發相結合的產物。根據路由跳數選擇合適的中繼模式：若路由小于d跳，則進行轉發；反之，進行存儲。此外，在選擇需轉發消息時，設置了選取生存時間大于零的隨機轉發機制。RDAD利用節點多次收到廣播消息強度的加權平均值定義消息的遞交概率，并根據動態變化的遞交概率設置消息最大復制數目，從而提高了消息遞交成功率并降低了節點能耗。

2.1.2基于效用的路由技術

基于效用的路由技術原理是通過定義各個中繼節點路由決策的效用函數，將消息轉發給效用函數最高的中繼節點。該算法的優點在于能夠有效地控制消息轉發的次數，并通過定義效用函數實現特定網絡性能參數的提高。基于效用的路由技術主要包括CM-RSD[29]、URD[30]、VoN[31]等。

CM-RSD將節點活躍度和能量剩余率相結合進行消息的限額轉發，使得消息向能力更強的節點轉發，由于考慮節點的能量狀態，因此能夠有效提高網絡壽命。該算法定義節點能力模型為Ui(t)=αFi(t)+(1-α)Ei(t)，其中Ui(t)代表節點i在時刻t的遞交能力，Fi(t)代表節點活躍度，Ei(t)代表節點能量剩余率，α和1-α為權重指標。

URD通過中繼節點與目的節點的相遇歷史記錄預測未來相遇情況，定義節點中心度、關聯度、頻繁度、親密度、新近度、相似度和移動連通度等概念，建立了節點相遇效用模型。并從理論上證明了算法不會陷入路由環路，增加了節點相遇概率，提高了消息轉發的效率，并有效降低了開銷。

VoN用節點在特定時間內遇到不同種類節點的數量作為節點質量的定義，并以節點價值為優化目標設計路由算法，平衡了轉發節點的負載，降低了網絡開銷。其定義節點價值為Vali=Vi×Si，其中Vali、Vi和Si分別代表節點價值、節點速度和節點緩存剩余率。

2.1.3基于預測的路由技術

基于預測的路由技術原理是通過記錄節點歷史相遇信息，根據當前節點位置和運動方向等信息，按照一定的預測算法預測與目的節點的相遇情況。該技術可以使消息的轉發更有方向性，減少消息在網絡中的無序擴散。

彭敏等人[32]利用相遇記錄矩陣記錄節點相遇概率，生成轉移投遞概率和總投遞概率值預測節點遞交概率，并以此為依據進行消息副本配額的分配。該算法能夠以較低的網絡開銷代價換取消息遞交率和平均時延指標的提升。

LeBrun等人[33]通過在車載網絡的車輛上配備GPS，實時記錄車輛位置和行駛方向，通過車輛所在位置到目的節點所在位置向量和車輛行駛方向的夾角預測車輛與目的節點的相遇概率。

2.1.4基于編碼的路由技術

基于編碼的路由技術原理是在源節點處對消息進行編碼后發送，目的節點將接收到的部分消息進行重構生成原消息。這種機制實質上是對DTN鏈路間歇斷開、無線信道誤碼率高的補償機制，基于編碼的路由技術主要包括編碼和擦除編碼兩種類型。

茍亮等人[35]提出了基于編碼的無線網絡加權廣播重傳機制算法。通過收集到的廣播消息和鏈路狀態信息構建分布式加權矩陣，從而實現對編碼消息的提取，該算法在降低算法復雜度的同時提高了消息傳輸效率。

文獻[36]依據歷史相遇信息，建立節點時間圖模型以表征節點連接態勢，綜合考慮消息可達率、最短路徑長度和相遇時間間隔建立轉發能力模型，分布式地更新時間圖，從而實現編碼節點的動態選擇。圖3描述了一種典型的時間圖模型，T1-T6分別為網絡運行中有節點相遇的6個時刻，v1-v5分別為網絡中的5個運動節點，e1-e8分別為具體的8個節點相遇事件。該時間圖模型在以往靜態圖的基礎上加上了時間維，動態展示了各節點的連接態勢。

圖3　一種時間圖模型

Wang等人[37]提出了基于擦除編碼的路由算法。該算法將原始數據擦除編碼后劃分成更小的消息并分配給多個中繼節點，目的節點利用從中繼節點接收的消息重建原始消息，該算法確保了在網絡狀態較差時的消息傳輸。

2.1.5基于社區的路由技術

基于社區的路由技術原理是考慮節點的社區移動特性進行消息轉發。節點的社區特性一般包括三種情況：節點運動具有偏好特性，去往某位置的概率更高；節點運動具有差異特性，只有某些節點去往某一位置；節點運動具有時空特性，如在校園里，行人節點在就餐時間段一般會在食堂附近運動。

Daly等人[38]根據社交網絡的“小世界現象”，通過定義節點向心性和相似度尋找網絡中的“橋節點”，并借助“橋節點”實現消息的輔助轉發，取得了較好的效果。

Hui等人[39]將同屬一個社區的節點貼上同一標簽，在節點相遇時將消息優先傳遞給貼有同一標簽的節點，這種機制有效地減少了消息的跨區傳輸，實現了網絡開銷的優化。

張炎等人[40]提出了節點相遇間隔感知的社區路由算法。利用節點訪問社區的概率值估計相遇間隔時間，在消息轉發過程中選取與目的節點間隔時間估計值較小的中繼節點，從而提高了消息的平均時延指標。圖4為中繼節點選取示意圖。

圖4　中繼節點選取示意圖

在圖4中，當A社區的節點a需要轉發消息至C社區時，直接遞交需要12.2 s，而經過相遇間隔時間感知方法，先轉發給B社區的節點b，由b轉發到C社區只需3.5+5.2=8.7 s。因此，中繼節點選擇b能夠有效降低網絡時延。

2.2基礎設施輔助路由技術

基礎設施輔助路由技術的原理是通過在網絡中部署固定或移動消息轉發輔助設備以減少節點的緩存消耗，從而可以有效提高節點的生存性。根據基礎設施的移動性可分為固定和移動設施輔助路由技術。

2.2.1固定設施輔助路由技術

固定設施輔助路由技術是指用于輔助轉發的設備是固定的，其優點是不需要進行輔助節點的路徑規劃設計，但輔助性能較移動設施輔助路由為弱。

文獻[6]提出了一種用于鯨魚活動信息收集的信息站模型SWIM：鯨魚體內裝有的射頻標簽之間及標簽與浮球內的信息站之間可進行數據轉發，信息站將收集到的信息轉發至岸上數據分析中心，實現對鯨魚生活習性的分析。

Zhao等人[41]提出利用固定無線輔助通信設備——拋擲盒來提高節點間消息轉發的機率。按照路由方式及信息種類的不同劃分9種情況，在此基礎上根據位置矢量x和路由矢量f，以最大化數據率λ為目標設計路由算法，取得了較優的路由性能。

于振等人[42]提出通過在節點的運動路徑上設置Wi-Fi熱點輔助數據分發，并定義節點數據分發的責任因子確保數據總是朝著分發效率更高的節點流動，結果表明該算法能夠顯著地提高數據分發效能。如圖5所示，描述了基于基礎設施輔助的網絡模型，P1-P4為網絡中的4個移動節點，采用ad hoc方式連接；AP1和AP2為2個無線接入點，采用WLAN/Internet方式連接。若P1要向P4遞交消息，傳統的ad hoc方式是經過P2和P3的轉發；而采用基礎設施輔助時，當P1在AP1通信范圍內時，其先將消息轉發給AP1，由AP1向網絡進行廣播轉發。AP1和AP2的加入可以有效降低平均時延，提高消息遞交率。

圖5　固定基礎設施輔助的網絡模型

2.2.2移動設施輔助路由技術

移動設施輔助路由技術是指用于輔助轉發的設備是移動的，其優點是可以根據具體的輔助需求動態調整輔助節點的路徑，避免固定設施輔助路由重輔助節點由于通信距離受限導致輔助性能下降，但動態規劃輔助節點的路徑難度較大。

MF算法[43]在網絡中設置按照特定路線運動的移動擺渡節點實現消息的輔助轉發，并按照擺渡節點的運動方式劃分為擺渡者主動運動的FIMF算法和擺渡節點被動運動的NIMF算法，移動擺渡節點的存在提升了消息遠距轉發的效率。

文獻[44]研究了多擺渡者輔助路由的設計問題，以最小化數據傳輸延遲為路由目標，在滿足流量需求的前提下規劃擺渡者路徑；按照單路徑無交互、多路徑無交互、節點交互、擺渡者交互四種路由類型進行建模分析，提出相應的路徑規劃算法，取得了較好的效果。

文獻[3]中提出一種用于農村偏遠地區的非實時異步通信網絡結構，圖6為其概念圖。該網絡中主要包括城鎮中的Internet固定接入點設備、車輛上的移動接入點設備以及村莊中的Kiosk設備。車輛作為移動輔助設施，通過規定路徑運動與村莊中的Kiosk設備進行信息交互，并在到達城鎮時與城鎮中的Internet固定接入點設備交換信息，最終實現了村莊與城鎮間的信息交互。

圖6　Daknet概念圖

3DTN路由技術評估

DTN網絡路由技術性能優劣的評價方法主要包括單指標評價法和多指標綜合評價法。單指標評價法通過選取典型性能指標，如消息遞交率、網絡開銷和平均時延等，逐一進行對比分析；多指標綜合評價法主要是通過建立DTN路由指標體系，實現特定路由下多指標的加權映射，生成綜合評估值進行對比分析，相比于單指標評價法，多指標綜合評價法的評價更具全面性和整體性。下面給出消息遞交率、網絡開銷和平均時延的公式化定義。

(1) 消息遞交率

DTN路由設計的目的就是容忍鏈路中斷和一定時延的基礎上實現消息遞交率的最大化，消息遞交率是DTN路由技術中最重要的指標。消息遞交率的表達式為：

(1)

其中，Nr表示需要遞交的消息總數，Nt表示被成功遞交的消息總數。

(2) 網絡開銷

網絡開銷是指未被成功遞交消息總數與被成功遞交消息總數的比值。網絡開銷的表達式為：

(2)

其中，Np表示網絡中的消息總數，Nt表示被成功遞交的消息總數。

(3) 平均時延

平均時延是指所有被成功遞交的消息從源節點轉發至目的節點所花費時間的平均值。平均時延的表達式為：

(3)

其中，Tl,t表示第l個消息被源節點發送的時刻，Tl,r表示第l個消息被目的節點接收的時刻，n表示所有被成功遞交的消息總數。

4結語

對DTN網絡的研究背景已經從星級網擴展到了地面和水下網絡，其應用場景更趨多樣化，以下三個方面將是未來DTN路由技術研究的重點。

(1) DTN路由技術指標體系構建

在將DTN網絡應用于不同場景時，如何建立更加科學完善的指標體系是一個重要問題。文獻[45]結合RFC-2051標準，以有效性、實用性、安全性和擴展性4個一級指標，時延、傳輸率、吞吐量等12個二級指標為基礎建立了DTN指標體系；文獻[46]中提出了構建DTN評價指標的新思路。

(2) 基于QoS的DTN路由技術

DTN路由問題的實質是資源分配問題，在資源有限的條件下，研究能提高QoS保障水平的路由技術十分關鍵，特別是在路由設計中考慮流量控制問題和擁塞控制問題。文獻[47]提出了一種基于信息交換的方法來實現網絡流量控制，可以在一定程度上改善網絡的擁塞問題，但方法的針對性不強。

(3) DTN多播路由技術

一些網絡如空間網絡[48,49]，對多播路由的應用需求較大；在軍事戰場網絡和災難救援通信網絡中，應用多播路由也能夠顯著提高資源利用率、節約通信帶寬。因此研究DTN多播路由技術將有廣闊的應用前景。將多播技術應用于DTN網絡存在的一個難題是如何保持多播結構的連通性，可以考慮通過一定的補償機制來克服該問題。

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收稿日期：2015-12-08。陜西省自然科學基金項目(2012JZ8 005)。余侃民，副教授，主研領域：通信系統與通信技術。鐘赟，博士生。孫昱，博士生。楊娟，工程師。

中圖分類號TP393

文獻標識碼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