機間自組織網絡多模式傳輸保障方法*

黃松華，張兆晨，陳 濤，汪霜玲，梁維泰

（1.中國電科第二十八研究所信息系統工程重點實驗室，南京 210007；2.國防科技大學信息系統工程重點實驗室，長沙 410073）

0 引言

機間自組織網絡是移動網絡技術在航空平臺通信領域的應用，主要通過多跳路由轉發支撐航空平臺間的自動連接與相互通信，實現指令信息、情報信息與環境感知信息分發、飛行狀態信息交換等軍民航空通信亟待實現的能力［1］。由于TCP/IP 的網絡層提供的是面向無連接的數據報服務，也就是說IP 數據報傳送會出現丟失、重復或亂序的情況，因此，在TCP/IP 網絡中傳輸層就變得極為重要。從可靠傳輸角度，在軍事層面更加及時準確地獲取態勢信息、指令信息、目標信息，提高時敏目標打擊鏈的傳輸效率［2］；在民事層面，保障航空用戶在飛行過程中的即時通信、流媒體服務和數據共享體驗。當前，機間無線環境中提供的傳輸帶寬和可靠性遠遠不能滿足眾多基于IP 的新應用和服務的并發需要，而且延時與誤碼率的時變性可能會導致應用體驗較差［3］。

本文在分析移動自組織網絡現有傳輸模式和挑戰基礎上，提出機間自組織網絡多傳輸模式及自適應方法，在空中高動態環境下保障業務傳輸可靠性的同時，提升了機間自組織網絡的整體傳輸能力。

1 相關工作

針對移動自組織網絡拓撲動態變化、鏈路質量不穩定、路由頻繁中斷的特點，國內外眾多學者對標準TCP 協議進行了改進，以解決TCP 對數據分組丟失或亂序原因的誤判而引起的觸發慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復機制，避免網絡吞吐量下降。TCP 改進方案主要有以下幾類：

Ki Baek Kim和Kartik Chandran 等基于網絡狀態反饋提升傳輸控制協議性能，處理自組織網絡中的路由故障問題［4-5］。與原始TCP 相比，提高了自組織網絡的吞吐量，使得TCP 發送端在路由重建后能夠繼續以較大的窗口進行分組傳輸。 與TCP-Feedback 機制類似，Harshad B.Prajapati等提出了基于跨層顯式鏈路故障通告（Explicit Link Failure Notification，ELFN）的反饋機制，通過探測分組使得中間節點能夠與發送端進行信息的交互，決定TCP 進入待機模式還是正常工作狀態［6］。在ELFN通告基礎上，為了區分數據分組還是確認分組的丟失，N.Sengottaiyan 等提出了EPLN-BEAD （Early Packet Loss Notification & Best-Effort Ack Delivery，分組丟失提早通告& 盡力傳輸確認分組）機制，減少TCP超時事件發生，提高移動自組織網絡的吞吐量［7］。

針對移動自組網網絡的TCP 的改進方案還包括ATCP（Ad hoc TCP）和TCP-BuS（TCP Buffering capability and Sequence information）等［8-9］。前者在發送端的傳輸層和網絡層之間插入此中間層，該中間層監聽來自網絡層的信息，并反饋給TCP，同時通過監測接收到的重復確認分組Acks 數量來判定信道的優劣，以解決路由故障時或高誤碼率環境下傳輸層性能低下的問題；后者同樣利用網絡層的反饋信息去檢測路由故障進而采取相應的策略，并在路由重建過程中，緩存從源節點到中間節點的分組。

此外，為了應對認知無線網絡的傳輸頻譜切換，有研究人員提出了基于TCP-MAC 跨層的TCP改進協議TCP-CR（Cognitive Radio），解決頻譜切換導致的TCP 超時重傳和頻繁慢啟動問題，提高信道利用率、傳輸效率和端到端吞吐量［10-11］。

以上方案主要利用網絡層、鏈路層這兩層的反饋信息，提出了正確區分網絡擁塞、路由失效或鏈路故障等分組丟失原因的方法，通過改進慢啟動過程提高了傳輸效率，然而這些方案需要建立端到端連接，這對于低時延的協同信息來說產生的延遲過大，而且對于高動態的空中環境，很難保證端到端的連接。

針對上述問題，本文綜合跨層感知（需求與丟包原因）、跨層橫向立體直傳、分段握手確認、糾錯等手段，提出了分段可靠、半可靠、高效直傳等多種傳輸模式及其自適應方法，滿足低時延、高可靠、大容量等機間自組織網絡傳輸信息的不同需求。

2 多傳輸模式

針對機間自組織網絡鏈路特點和指令、情報、控制等信息傳輸要求，在傳輸層以分段連接為基礎，分別采用不同的握手和確認機制，自適應提供分段可靠傳輸、半可靠傳輸、高效直接傳輸等多種傳輸服務模式。

2.1 傳輸協議數據幀結構

為了與基于TCP/IP 的節點通信，機載網絡傳輸協議應能夠與TCP 和U D P 有效地互操作；同時，在機載環境中，鏈路帶寬有限，高效的數據幀結構非常重要。機載網絡傳輸協議數據幀結構如表1 所示。

表1 機載網絡傳輸協議數據幀結構

在這個幀結構中，Source port是源端口號，表示發送數據的應用程序的端口號；Destination port是目的端口號，表示接收數據的應用程序的端口號；Sequence number是數據幀的序號，可以解決數據幀到達目的節點出現亂序的情況；Timestamp 是時間戳；mode 表示當前數據傳輸采用的是哪種傳輸服務模式；HEC 是報文頭的校驗碼，確保在無線信道下報文頭的完整性；payload 是待傳輸的數據；CRC-32 是待傳輸數據的校驗碼，用于保證待傳輸數據的正確性，在不同的傳輸模式中作用不同。

2.2 分段可靠傳輸模式

分段可靠傳輸模式采用源節點與目的節點之間消息分段接收、緩存、確認與斷點續傳機制，在每跳的下一節點暫時無響應等極端情況下，采用按需機會路由和逐跳的消息確認代替源節點與目的節點之間端到端的消息確認，實現確保的傳輸服務，即傳輸路徑上的下一個節點收到數據后立即向上一跳節點發送確認消息，以后消息傳輸的可靠性則由后面的節點來保證，傳輸過程如圖1 所示。

圖1 分段可靠傳輸模式

其中，各段的連接協議基于TCP 進行改進，具體如下：1）連接建立請求ASYN 和數據同時發送，無需在源目節點間完成3 次握手，數據發送完畢時發送AFIN 信令，逐段拆除連接，以適應機間自組織網絡的動態性和通信鏈路質量的波動性。2）通過跨層感知讓發送端清楚網絡的真實狀態，讓網絡層、鏈路層、物理層都恰當地參與網絡擁塞、路由失效（移動導致路由臨時失效）或鏈路故障等問題的發現和解決過程。比如在物理層根據信號強度和節點距離之間的函數關系，節點通過測量無線信號的強度計算節點間的距離，根據節點間距離的變化來預測節點的運動趨勢：當節點間距離超過某一閾值時，如果傳輸層發送失敗，就認為是路由中斷導致了丟包；而當節點間距離在一定范圍內時，如果發送失敗，就認為是隨機誤碼。在網絡層，當發送失敗原因為未收到對方應答，可以認為發生路徑中斷；當失敗原因為對方收到分組錯誤，可以認為鏈路質量下降，出現誤碼。3）當發現路由中斷時，發送端即停止發送數據，凍結TCP 當前的各個環境變量；當發送端獲知路由恢復后，利用路由中斷前的各個變量值恢復數據的傳送。4）當鏈路層頻繁出現因誤碼導致的發送失敗，此時發送端減速發送，減輕信道的壓力。5）通過中間節點緩存和斷點續傳，提高網絡傳輸的效率，適應機間自組織網絡的動態特性。

2.3 半可靠傳輸模式

半可靠傳輸模式采用源節點與目的節點之間分段消息發送、連接建立請求和糾錯機制，極端情況下分段化為逐跳，并通過糾錯機制實現相對確保的傳輸服務，傳輸過程如圖2 所示。

圖2 半可靠傳輸模式

半可靠傳輸模式的消息及其糾錯碼和連接請求ASYN 同時發送，ASYN 只發揮告知對方節點，作好數據接收、檢驗糾錯、中轉準備，但無需對方節點確認；數據發送完畢后超時拆除單向連接，無需發送AFIN 信令。

2.4 高效直接傳輸模式

高效直接模式在源節點與目的節點之間建立直接鏈路，同時跨層調用底層的鏈路服務模式，傳輸層數據包直接封裝成鏈路層數據包通過直接鏈路發送，實現近實時的小容量傳輸服務，傳輸過程如圖3 所示。

圖3 高效直接傳輸模式

為了提高網絡的適應性，跨應用層和傳輸層提供業務傳輸需求的感知能力，設置不同的生命期，并提供“低時延、高可靠、大吞吐量”3 種策略。

1）針對指令信息和文本情報信息，由于量小但可靠性要求高，采用“高可靠”策略，使用分段可靠傳輸模式，把路徑分為相對穩定的多個分段，各段內采用改進的可靠傳輸模式，保障高動態環境下指令信息傳輸的可靠性。

2）針對圖像和流媒體情報信息，由于量大但對時延要求不高，采用“大吞吐量”策略，使用半可靠傳輸模式，提高機間自組織網絡的整體傳輸能力，保障大容量情報信息傳輸的可靠性。

3）針對控制信息，由于量微但要近實時，采用“低時延”策略，使用高效直接傳輸模式，用鏈路層報頭直接封裝傳輸層數據包，再通過大功率鏈路直傳方式，減少路由轉發帶來的時間開銷，保障控制信息傳輸的時效性。

3 對比分析

3.1 定性分析

機間自組織網絡的多模式傳輸方法與TCP 傳輸體制對比如表2 所示。

表2 多模式傳輸體制與TCP 傳輸體制的對比

從表2 可以看出，本文提出的多模式傳輸方法相對傳統的TCP 傳輸方法傳輸效率更高，對空中高動態無線環境，以及空中多種業務的適應能力更強。

3.2 定量分析

基于OPNET 14.5 仿真平臺，開發機間自組織網絡多模式傳輸仿真軟件。通過仿真試驗驗證傳輸方法有效性，并與傳統的TCP 傳輸協議進行對比分析，證明多模式傳輸方法的有效性。

3.2.1 多模式傳輸有效性分析

主要測試在不同鏈路質量條件下的丟包率和占用帶寬。仿真場景設置鏈路誤碼率范圍0.1%～5.0%；分組最大允許時延300 ms（超過300 ms分組即失效，直接丟棄）；單向網絡時延設50 ms~75 ms，即可支持重傳一次或兩次。

測試用例分組來自節點1 和節點2 之間持續時間200 s的雙向語音通話，在節點1 和節點2 之間插入轉發節點3，并配置其為中繼節點。語音使用G.711a 編碼，以4 ms 間隔發送，每個語音分組長度為84 Byte。表3 列出不同鏈路誤碼率和時延條件下單向語音數據傳輸的性能。從表3 可以看出，在機間自組織網絡動態分段傳輸過程中，多模式傳輸可以有效降低鏈路質量波動導致的網絡丟包率，提高網絡吞吐量。

表3 單向語音數據傳輸的性能

3.2.2 多模式傳輸與T C P 對比分析

在同樣的環境仿真測試多模式傳輸和標準TCP在不同丟包率條件下的吞吐量表現。仿真場景設置鏈路丟包率范圍為0.1%～5.0%，采用TD M A 方式分配4 Mb/s的通信信道，即500 kB/s。測試用例分組來自2 個節點間的50 Mb 文件傳輸，測試結果如下頁表4 所示。從表4 可以看出，在鏈路質量變差或波動時，多傳輸模式的吞吐量遠高于傳統的TCP 傳輸模式。

4 結論

機間自組織網絡業務需求多樣，業務服務質量保障面臨著網絡拓撲結構時變、網絡狀態信息不精確、鏈路質量波動等挑戰。本文首先分析機間自組織網絡傳輸方法研究現狀，然后綜合跨層感知（需求與丟包原因）、跨層橫向立體直傳、分段握手確認、糾錯等手段，提出基于業務分類的機間自組織網絡多傳輸模式及其適應方法。與傳統的TCP 改進方案相比，本方法在滿足小容量低時延、大容量低抖動、高可靠業務信息傳輸需求的同時，提升了機間自組織網絡的整體傳輸能力，增強了空中通信的可靠性和穩定性。

表4 多傳輸模式和標準TCP 測試結果