基于DTN的深空信息網(wǎng)絡(luò)路由算法研究

摘要：容遲網(wǎng)絡(luò)（delay tolerant network，DTN）體系結(jié)構(gòu)能夠基于一種全新嚴(yán)格的框架，針對(duì)深空環(huán)境集成相關(guān)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，解決深空通信中遇到的各種問(wèn)題。首先探討未來(lái)深空通信網(wǎng)絡(luò)存在的難題，提出相應(yīng)的DTN體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建方案，探討蔓延路由、散發(fā)等待路由和概率路由3種算法，并對(duì)其性能進(jìn)行分析，為解決深空信息網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題探索新的方法。

關(guān)鍵詞：容遲網(wǎng)絡(luò)（DTN）；深空信息；網(wǎng)絡(luò)路由

中圖分類號(hào)：TP336；TN927+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

容遲網(wǎng)絡(luò)（delay tolerant network，DTN）作為新興網(wǎng)絡(luò)之一，主要是用來(lái)解決資源受限環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)傳輸中遇到的問(wèn)題，因此在其設(shè)計(jì)中路由算法是一種重要技術(shù)。深空探測(cè)作為人類在衛(wèi)星應(yīng)用以及載人航天研究中探索太陽(yáng)系空間的重要活動(dòng)之一，依賴于多種先進(jìn)技術(shù)，其中一個(gè)重點(diǎn)即確保能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地連續(xù)性通信[1]。與近地軌道航天器和地球間的通信鏈路相比，深空探測(cè)中航天器和地球之間的通信鏈路有所不同。這種不同不僅體現(xiàn)在信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)遭受一定路徑損失，還體現(xiàn)在通信過(guò)程中也存在較大的時(shí)延。大部分學(xué)者利用通信原理來(lái)解決深空探測(cè)中的路徑損失問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決對(duì)策。同時(shí)，廣大學(xué)者也逐漸開始應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)解決深空通信問(wèn)題，該方式能有效解決深空通信的大時(shí)延問(wèn)題[2]，因此空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和應(yīng)用將成為當(dāng)前和未來(lái)深空通信研究中的重點(diǎn)。廣大學(xué)者在大量研究工作中，提出了相應(yīng)的深空信息網(wǎng)絡(luò)路由算法[3-4]。結(jié)合DTN網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳遞機(jī)制可以發(fā)現(xiàn)，路由選擇是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，DTN網(wǎng)絡(luò)路由選擇會(huì)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化過(guò)程中出現(xiàn)改變，且這一改變具有隨機(jī)性和不確定性，這導(dǎo)致在其路由方法選擇中存在一定難度[5]。本文基于DTN深空信息網(wǎng)絡(luò)的研究，提出不同的路由算法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 未來(lái)深空通信網(wǎng)絡(luò)難題

本文以火星探測(cè)為例，探討關(guān)于未來(lái)深空探測(cè)通信環(huán)境的構(gòu)建難題?；鹦侨蝿?wù)深空測(cè)控通信環(huán)境如圖1所示，其中包括地面鏈路、地球軌道鏈路、星際主干鏈路和行星軌鏈路等，而且在不同鏈路中其通信環(huán)境也具有不同特性。在空間互聯(lián)網(wǎng)搭建完成后，為深空探測(cè)構(gòu)建相應(yīng)的通信結(jié)構(gòu)仍面臨一定的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下8個(gè)方面：第一，深空探測(cè)通信中需要最大限度地確保實(shí)現(xiàn)通信環(huán)境的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存。由于不同的鏈路區(qū)域所需的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互通互聯(lián)成為構(gòu)建深空通信體系過(guò)程的重點(diǎn)，此為未來(lái)深空通信網(wǎng)絡(luò)難題之一。第二，傳輸延遲較大，且具有可變性。以電磁波傳播速度計(jì)算地球和太陽(yáng)系中各行星的單程通信時(shí)間，最長(zhǎng)的通信時(shí)間需要幾小時(shí)。在傳輸時(shí)間計(jì)算中，如果考慮到行星相對(duì)軌道位置，火星和地球之間通信端到端一個(gè)傳輸來(lái)回的時(shí)間為8.5 ～

40 min。若想實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，則需要具備較高的傳輸協(xié)議可靠性，這同樣是未來(lái)深空通信網(wǎng)絡(luò)的一道難題。第三，前向和反向信號(hào)不具備對(duì)稱性。在空間通信中，前向和反向信號(hào)兩者之間通常不具備對(duì)稱性，兩者之間的比例關(guān)系為1 000∶1，但是地面?zhèn)鬏斂刂茀f(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）能夠?qū)ζ浣邮艿淖畲笙薅葹?00∶1，甚至部分傳輸情況下選擇的是單向信道。第四，射頻信道中的誤碼率較高。深空探測(cè)通信誤碼率可高達(dá)10-1，但是地面TCP/IP協(xié)議最高容忍值僅為10-5。第五，鏈路可能出現(xiàn)中斷或斷續(xù)現(xiàn)象，影響連通性。地面站在與航天器、行星通信過(guò)程中，因?yàn)槭艿降厍蛞约靶行亲赞D(zhuǎn)因素的影響，通信鏈路維持時(shí)間平均為8 h。另外，行星也會(huì)遮擋50%以上航天器對(duì)地球外行星探測(cè)范圍，通信過(guò)程中僅可以提供斷續(xù)通信，即使能夠確保網(wǎng)絡(luò)正常，網(wǎng)絡(luò)中斷發(fā)生率也較高。通信運(yùn)動(dòng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生改變。第六，深空通信資源存在一定約束。深空鏈路容量有限，且相對(duì)帶寬較低。第七，航天器存儲(chǔ)容量有限，處理能力也存在局限性。在深空通信大時(shí)延背景下，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信方式的應(yīng)用主要是為了縮短時(shí)延，這相應(yīng)地要求航天器具備較高的處理能力。第八，深空探測(cè)通信環(huán)境對(duì)安全性有較高的需求。由于深空環(huán)境具有開放性，極容易受到各種攻擊，在數(shù)據(jù)傳輸中也必須注重保障數(shù)據(jù)安全性和完整性。

2 深空通信DTN體系結(jié)構(gòu)

火星深空探測(cè)通信環(huán)境主要包括地面網(wǎng)絡(luò)、星際主干網(wǎng)絡(luò)、火星軌道網(wǎng)絡(luò)和火星表面網(wǎng)絡(luò)，具體可劃分為從任務(wù)控制中心到深空網(wǎng)、從深空網(wǎng)到中繼衛(wèi)星/著陸器、從在軌用戶到火星著陸器、從火星著陸器到場(chǎng)外航天員。以上提到的不同應(yīng)用場(chǎng)景，由于各自具有不同的環(huán)境特性，因此可以相應(yīng)地運(yùn)用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)構(gòu)建未來(lái)深空通信的“域”。深空通信DTN體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建的基本原則為“最小公分母”協(xié)議配置原則，在此原則應(yīng)用下可以根據(jù)實(shí)際需求選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境協(xié)議設(shè)計(jì)方案，基于DTN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的連接方式，在各端之間均可以應(yīng)用這一連接方式。通過(guò)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，可以有效保障域內(nèi)信息傳遞的安全性和可靠性，此過(guò)程中最重要的是在DTN網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)對(duì)包裹層協(xié)議的運(yùn)行。深空通信DTN協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

路由算法在地面無(wú)線移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（mobile ad hoc network，MANET）體系的構(gòu)建中是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。在具體操作中，需要和深空通信環(huán)境相結(jié)合，同時(shí)提高對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的關(guān)注。通常情況下，DTN路由是在各個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)部以及高層包裹層節(jié)點(diǎn)間。在空間IP構(gòu)建過(guò)程中，IP的全球?qū)ぶ饭δ馨l(fā)揮關(guān)鍵作用，其能有效確保地面與空間之間的相互操作和聯(lián)通。針對(duì)路由和存儲(chǔ)問(wèn)題，如果可以通過(guò)擴(kuò)展IP方法來(lái)解決，那么可以假設(shè)一種命名/尋址配置方案，以便對(duì)全球深空通信解決方案的構(gòu)建提供支持。在構(gòu)建DTN體系時(shí)，不僅要保障空間應(yīng)用保管傳遞功能，還應(yīng)制定相應(yīng)的容延遲傳輸策略，并結(jié)合實(shí)際需求合理調(diào)整和優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)。

3 不同DTN深空信息網(wǎng)絡(luò)路由算法

3.1 蔓延路由

蔓延路由本質(zhì)上是一種洪泛算法，在此算法中，若出現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相遇，會(huì)先交換雙方的緩存信息，隨后傳遞那些在對(duì)方緩存中不存在的信息，因此各個(gè)攜帶報(bào)文的節(jié)點(diǎn)會(huì)向?qū)Ψ絺鬟f自身攜帶信息，最終完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳遞。在蔓延路由傳遞信息過(guò)程（圖3）中，若用S表示源節(jié)點(diǎn)、D表示目的節(jié)點(diǎn)，N表示轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，S在t1時(shí)刻和節(jié)點(diǎn)N1、N2相遇，先對(duì)兩者的攜帶報(bào)文情況實(shí)施判定，隨后S會(huì)對(duì)自身攜帶報(bào)文進(jìn)行復(fù)制和傳遞，N1、N2均可以接收；在t2時(shí)刻，N1若和N3相遇，兩者會(huì)對(duì)彼此攜帶的報(bào)文進(jìn)行復(fù)制且相互傳遞，若發(fā)現(xiàn)N3不存在自身所攜帶的報(bào)文，N1會(huì)復(fù)制自身所攜帶報(bào)文，且將其向?qū)Ψ絺鬟f；若在t3時(shí)刻，N3會(huì)復(fù)制自身所攜帶報(bào)文，且將其傳遞給D，從而完成整個(gè)傳遞過(guò)程。

蔓延路由的優(yōu)點(diǎn)為采用洪泛算法，這能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間報(bào)文相互傳遞，且網(wǎng)絡(luò)延遲較小，擁有高投遞率；缺點(diǎn)為DTN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)能量存在限制，這種限制在報(bào)文傳遞過(guò)程中相應(yīng)地也會(huì)作用于所有節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致出現(xiàn)一定的資源浪費(fèi)。另外，對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，DTN網(wǎng)絡(luò)中的平均延遲時(shí)間、平均緩存利用率等實(shí)驗(yàn)結(jié)果均不理想。

3.2 散發(fā)等待路由

散發(fā)等待路由建立在蔓延路由的基礎(chǔ)上，可以將其分成兩個(gè)階段：第一，散發(fā)階段。報(bào)文傳遞中，會(huì)提前在信源階段完成對(duì)報(bào)文的L份拷貝。通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)中，信源節(jié)點(diǎn)如果能夠和某節(jié)點(diǎn)相遇，會(huì)將自身的L/M份報(bào)文傳遞給相遇節(jié)點(diǎn)，M為本身設(shè)定的固定值，完成傳遞后，剩下報(bào)文會(huì)繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)。第二，等待階段。若節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中僅攜帶一份報(bào)文運(yùn)動(dòng)，當(dāng)再次遇到未攜帶報(bào)文的新節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)先對(duì)新節(jié)點(diǎn)是否為目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判定，確定是目的節(jié)點(diǎn)后直接傳遞報(bào)文，反之則會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)尋找目的節(jié)點(diǎn)。

散發(fā)等待路由的優(yōu)點(diǎn)為可以限制報(bào)文總拷貝數(shù)量，參與傳遞的節(jié)點(diǎn)數(shù)具有一定限制，這有助于降低報(bào)文交換次數(shù)，從而降低網(wǎng)絡(luò)開銷。然而，它無(wú)法準(zhǔn)確確定拷貝數(shù)L以及固定值M，會(huì)顯著降低報(bào)文傳遞過(guò)程中的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)，使得參與傳遞的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少。散發(fā)等待路由僅能在算法階段進(jìn)行報(bào)文交互，等待階段無(wú)法實(shí)施報(bào)文傳遞，導(dǎo)致傳遞的盲目性較大。受以上因素的影響，網(wǎng)絡(luò)投遞率等性能不佳[6]。

3.3 概率路由

DTN網(wǎng)絡(luò)中，隨著時(shí)間變化，節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)改變，且這一運(yùn)動(dòng)通常為重復(fù)性運(yùn)動(dòng)，具備一定可預(yù)測(cè)性。例如，若節(jié)點(diǎn)在之前兩個(gè)階段已經(jīng)相遇，那么在后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中它們大概率會(huì)再次相遇。所以，DTN網(wǎng)絡(luò)基于此提出了概率路由算法，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)分析未來(lái)可能發(fā)生的事情。在概率路由算法中，最初傳遞概率值即傳輸預(yù)測(cè)值。如果攜帶報(bào)文的節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)傳遞自身所攜帶的報(bào)文，也會(huì)對(duì)比彼此的傳遞預(yù)測(cè)值。概率路由基于此可分為兩個(gè)階段：第一，概率更新階段。節(jié)點(diǎn)相遇后，會(huì)結(jié)合概率公式對(duì)彼此相遇概率值進(jìn)行更新。第二，轉(zhuǎn)發(fā)階段。依照傳輸預(yù)測(cè)值大小，選擇攜帶報(bào)文節(jié)點(diǎn)的傳遞對(duì)象，即與目的節(jié)點(diǎn)傳輸預(yù)測(cè)值相比較大的節(jié)點(diǎn)。

概率路由能夠借助先驗(yàn)知識(shí)公式預(yù)測(cè)分析未來(lái)可能發(fā)生的事情，應(yīng)用這一方法能夠計(jì)算兩個(gè)極端相遇次數(shù)，分析相遇概率，這不僅能夠顯著降低報(bào)文傳遞的盲目性，也有助于進(jìn)一步提升投遞效率。然而，這種算法也有一定的局限性，借助經(jīng)驗(yàn)去預(yù)測(cè)未來(lái)的事情，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)[7]。在一些特殊情況下，節(jié)點(diǎn)之間存在較高的相遇次數(shù)，但是由于相遇時(shí)間較短并不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)報(bào)文的成功傳遞。因此，在概率公式的應(yīng)用下，雖然通過(guò)計(jì)算可以得知兩者之間的相遇概率較大，但是實(shí)際上這些節(jié)點(diǎn)之間的報(bào)文傳遞成功率較低。最后，概率路由僅能選取網(wǎng)絡(luò)中的少數(shù)節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，因此容易延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文延遲時(shí)間，降低投遞率。

4 結(jié)論

本文結(jié)合相關(guān)學(xué)者研究現(xiàn)狀，展開關(guān)于DTN網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前在DTN深空信息網(wǎng)絡(luò)路由算法中，主要有蔓延路由、散發(fā)等待路由及概率路由3種算法，不同算法均具備各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在具體應(yīng)用中，還需要結(jié)合實(shí)際情況合理選擇路由算法，并對(duì)其進(jìn)行持續(xù)性優(yōu)化改進(jìn)，以完成對(duì)新的路由模型的構(gòu)建及應(yīng)用，滿足深空信息網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧家藍(lán). 基于DTN衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的智能CGR路由算法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2022.

[2]朱人杰，谷代平，李莎莎，等. 面向地面DTN網(wǎng)絡(luò)的Prophet路由算法的優(yōu)化與仿真[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2021，49（11）：2237-2241，2286.

[3] 李廣強(qiáng)，何佳. 容遲網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)間相遇概率的路由算法[J]. 計(jì)算機(jī)時(shí)代，2021（1）：33-36.

[4] 謝意. 移動(dòng)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中基于社交關(guān)系的噴射等待路由算法研究[D]. 武漢：華中師范大學(xué)，2020.

[5] 郭亞航. 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的車載容遲網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究[D]. 南京：南京郵電大學(xué)，2021.

[6] 楊萬(wàn)鑫，張小梅. 容遲網(wǎng)絡(luò)中路由算法的應(yīng)用[J]. 中國(guó)科技信息，2022（1）：47-50.

[7] 王海濤. 應(yīng)急通信場(chǎng)景下基于DTN的可靠消息傳輸機(jī)制[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)，2022，41（5）：676-681.