DTN協議棧的研究及網關設計

谷代平，朱人杰，黃 炎，胡瑩熏

（南京理工大學計算機科學與工程學院，南京 210094）

網絡協議是網絡上所有設備之間通信規則的集合，它規定了通信時信息必須采用的格式和這些格式的意義。眾所周知，我們通常使用的傳統Internet是基于TCP/IP協議的，它是很多網絡互聯的基礎模型。事實上，TCP/IP協議的平穩運行對物理鏈路特性有一些關鍵要求[1]：

（1）在源節點和目標節點之間存在一條端到端路徑。

（2）發送端和接收端之間的最大往返時延不大。

（3）端到端的丟包概率很小。

（4）誤碼率低。

然而，并不是所有的網絡環境都可以滿足上述要求，隨著網絡被使用于越來越多的場景，許多復雜、變化的場景都使得曾經被奉為標準的TCP/IP協議不再適用，例如深空通信網絡、軍用自組織網絡、陸地移動網絡、遠洋船只、偏遠山區等等，它們或多或少都不再完全滿足于TCP/IP網絡協議的要求。我們把這種網絡統稱為：受限網絡（Challenged Network）。

相對于正常的網絡環境，受限網絡通常延遲較高、數據傳輸速率較低、連接不穩定、數據包可能需要排隊較長時間。因此，傳統的TCP/IP協議在受限網絡環境中需要被改進或取代。

2002年，Intel公司伯克利研究實驗室提出了一種“延遲容忍網絡（Delay Tolerant Network，DTN）”的新概念[2]。由于DTN的特殊需求，顯然DTN需要一套不同于TCP/IP的改進型協議棧。同時，盡管DTN與傳統Internet工作于不同場景，二者之間的通信也必不可少。例如：處于深空環境的飛行器與地面指揮中心的信息交換；戰地網絡與遠程指揮中心的信息交換等等。因此，聯通TCP/IP協議棧與DTN協議棧的網關設備方法或將極具價值。

1 DTN體系結構

為了滿足受限網絡的需求，2007年，IRTF的DTNRG研究組發布的，與DTN網絡體系結構相關的規范文檔RF4838分析了TCP/IP協議棧在受限網絡環境下失效的原因，并在此基礎上提出了區別于TCP/IP協議棧的DTN協議棧，如圖1所示。

1.1 Bundle協議

事實上，DTN的協議棧仍然與Internet的協議棧有較大的相似度。不過最顯著的區別是，DTN協議棧將會比我們熟悉的Internet協議棧多一層 ——Bundle Protocol（BP）層。Bundle協議是在文檔RFC5050提出的[3]，存在于傳統的TCP/IP協議棧的傳輸層之上，它將數據塊分組成束，并使用存儲轉發技術傳輸它們。BP協議將多個子網連接到一個網絡中，提供基于監管的轉發服務并且可以長期存儲數據。信號重傳器保證分組傳送。因此，他們可以輕松應對互網絡連接問題，如帶寬延遲和連接斷開。

圖1 DTN協議棧

Bundle協議的主要特點包括：擁有一個基于點到點重傳的托管傳輸機制；基于URI的地址后綁定（Late Binding）機制；連接不同的傳輸層協議的匯聚層適配器；利用確定的、機會式的和可預測的連接適應不同的網絡環境[4]。

1.2 Licklider transmission protocol（LTP）協議

位于Bundle層與傳輸層中間的匯聚層，充當的是bp協議與傳輸層協議之間的接口。由于Bundle協議是一種應用于不同的傳輸層協議上的覆蓋協議，所以要實現束的發送和接收需要使用響應的匯聚層適配器協同底層的網絡協議。匯聚層主要是對下面的傳輸層進行輔助。目前我們常見的支持Bundle協議的匯聚層協議有：TCPCL、UDPCL、LTP協議等等。但是本文主要研究的是相對來說，更加適合DTN的LTP[5]協議。

LTP協議可以處理點到點通信中的延遲和中斷，尤其是長延遲鏈路問題。

圖2展示了源文件經過Bundle協議與LTP協議封裝的過程[6]。

圖2 文件封裝

2 網關設計

DTN網關扮演著DTN網絡與Internet之間的翻譯者的角色，讓處于這兩種不同的網絡環境內的終端得以無障礙地通信。

2.1 網關層次

網關共分為三層，由上到下分別為業務服務層、協議適配層以及鏈路接入層。如圖3所示。

（1）業務服務層

消息的接收以及發送模塊構成了業務服務層。消息接收模塊負責接收來自上層應用的標準消息，將消息傳遞給協議適配層。消息發送模塊負責把下層接收的數據信息向上層傳送。

（2）協議適配層

消息解析模塊與消息轉換模塊組成協議適配層。消息解析模塊從上下層接收消息，從下層接收到的消息將被解析出具體內容，若本機為數據包的目的地，將解析出的交與上層，否則根據目的地所處的網絡環境，通過消息轉換模塊打包成正確的協議數據包，重新發往鏈路。從上層接收到的消息將通過消息轉化模塊，根據消息目的地所處網絡環境打包，發往鏈路。協議適配層是DTN網關的核心，完成對來自上層應用的消息以及底層鏈路的消息的解析、以及二者之間的相互轉換。

（3）鏈路接入層

此層同樣包括消息發送與接收模塊。消息發送模塊將經過協議適配層包裝后的完整消息發送入鏈路，消息接收模塊則從鏈路中將來自其他設備的消息進行攬收，發送至協議適配層進行解析。

圖3 網關層次

2.2 系統設計

我們的系統建立在TB-7Z-020單片機的基礎上，DTN網關的硬件模塊如圖4所示。

數據匯聚模塊：實現從連接網關的應用收集相關數據的功能。

處理存儲模塊：網關中的核心模塊，實現了數據包的管理、解析與打包。我們使用的處理器是ARM Cortex-A9處理器，外擴SD卡作為存儲器。

接入模塊：將網關接入物理鏈路，目前我們使用的是有線以太網。

供電管理模塊：負責整套系統的電源供給，電源模塊的穩定性能直接關系到系統的穩定運行，我們使用的是MPS公司的DCDC。

圖4 硬件模塊

2.3 網關實現

我們的網關基于Linux操作系統。進入網關的數據分為兩種類型，一種是由正常的Internet發往受限網絡，即TCP/IP協議棧轉DTN協議棧；另一種是由受限網絡發往正常的Internet，即DTN協議棧轉TCP/IP協議棧。

2.4 性能測試

2.4.1 實驗方法

網關的性能測試基于3個節點，節點A為受限網絡中的Linux機器，節點B為網關節點，節點C為正常Internet中的Linux機器。A與B之間的網絡為DTN，B與C之間的網絡為以太網。在通信的三個節點的基礎上，添加一臺搭載了loadrunner的windows設備作為網關設備性能負載測試的工具。并于網關節點搭建load generator作為與windows設備的連接器。

Loadrunner集群：

（1）執行節點：A節點192.168.1.1

（2）控制節點：B節點192.168.1.2

（3）執行節點：C節點192.168.1.3

在DTN協議棧中，匯聚層數據單元的大小選擇，即網關中的LTP 段的大小的選擇，會實在地影響到DTN數據包的打包與轉發速度，因為DTN協議棧依然存在傳輸層與網絡層，匯聚層數據段的大小會影響到網絡層的發送與接收效率。

為了確定LTP段最佳大小，我們采用控制變量法，逐步調整LTP段的大小，由A向C進行流傳輸，通過wireshark記錄LTP段選擇不同大小時的傳輸速率峰值。多次實驗，取平均值。

在確定了最佳的LTP段的大小之后，我們對網關的性能進行測試，測試分為3個部分，分別為由A向C發送數據包，由C向A發送數據包以及A與C同時向對方發送數據包。開始測試后，即于發送機迅速增加模擬用戶量。當檢測到網關設備CPU達到滿載，停止增加模擬用戶量，測試時間為5分鐘。

2.4.2 實驗結果

從100字節逐步加大LTP段大小，記錄的傳輸速率峰值：

圖6 傳輸峰值

在最大LTP段大小設定為1440字節時，傳輸速率峰值達到最高。因為LTP包頭的大小為32字節，當LTP數據部的大小達到1440字節時，傳到網絡的數據大小恰好達到1500字節。

將LTP段大小設置為1440字節，對網關性能進行測試。

由A向C發送數據包，網關每秒處理事務數：

圖7 A-＞C事務數

由C向A發送數據包，網關每秒處理事務數：

圖8 C-＞A事務數

A與C同時向對方發送數據包，網關處理事務數：

圖9 雙向數據流事務數

可以看到當處理單方向的數據轉發時，數據流向無論是A到C或是C到A，網關CPU滿載時的每秒處理事務數均為1800左右，并且在測試時間內，基本維持在峰值。而當處理雙向的數據轉發時，網關CPU滿載時的每秒處理事務數為1500左右，因為網關需要同時運行DTN解包與打包兩個較耗資源的進程。針對于我們的應用場景，這樣的并發處理能力是完全符合需求的。

3 結束語

本文對將在受限網絡中發揮重要作用的DTN進行了研究，尤其對DTN協議棧中具有獨特性和針對性的Bundle協議以及LTP協議的特點、工作方式進行了深入研究。設計并實現了向上屏蔽底層通信協議差異的網關設備，從而連通DTN與Internet，使得處于受限網絡的設備與處于正常網絡的設備能夠實現無障礙通信。