机动通信网中的DTN路由协议研究

李文，刘文，冯微，郑相全

(1．中国电子系统设备工程公司研究所，北京 100000; 2．信息化部档案馆，北京 100000)

机动通信网中的DTN路由协议研究

李文1，刘文2，冯微1，郑相全1

(1．中国电子系统设备工程公司研究所，北京 100000; 2．信息化部档案馆，北京 100000)

针对DTN网络的核心机制－路由算法，分析了目前DTN路由算法的主要技术及其特点，包括队列管理、复制机制和转发机制。并且根据DTN网络的特点，采用了几种路由算法进行仿真。通过仿真表明，这几种路由算法都具有较高的消息投递成功率，但开销较大，消息的无限复制会大大地占用节点的缓存空间。因此平衡DTN网络中的开销与投递率还是一个设计的难点，需要根据实际网络参数做出适当的折中。仿真结果表明，DTN路由不能直接应用于机动通信网，但是一些设计思想可以借鉴。

机动通信；延迟容忍网络；路由协议

0 引言

现有的IP路由协议设计都基于以下前提:①传输时延短;②链路传输可靠性足够高。DTN网络的特点表明，传统IP协议栈包括路由协议已经不适用于DTN网络。因此，通过研究DTN网络的特征，并分析专为DTN网络设计的路由协议和算法，试图找到适用于机动通信环境的路由协议。以Ad Hoc网络为研究对象，因为Ad Hoc网络随着节点的移动进行随机组网，同时链路也会随着节点的移动间歇性地断开。

DTN是Kevin Fall在2003年提出的一种新型的异步信息网络结构［4］，是在星际网络的基础之上发展而来，区别于普通网络的特性在于其行星之间通信具有较高延迟和非连续的连接。目前，DTN网络主要应用于军事战争、航天通信、灾难恢复和应急抢险等方面，在恶劣的通信环境中有较强的适用性。

1 DTN路由协议分类

DTN结构在应用层和传输层之间添加了一个Bundle层［5］。Bundle层主要功能有保管传递和存储转发，是一个面向异步消息的覆盖网。在DTN网络中，主要目标是最大可能地传输报文信息，而选取最短路径或者节省开销不是首要的选择。

DTN网络中的路由主要包括建立网络拓扑结构、维护网络拓扑结构和路由算法三个方面。本文将路由算法分为三类，分别是不基于先验知识的路由方案(Nonknowledge-based Approach)、基于先验知识的路由方案(Knowledge-based Approach)、基于社会网络分析技术路由方案(Social-based Approach)［6，7］。同时也根据DTN内部的消息队列管理、消息复制和节点间消息的转发机制进行分类。

1.1 分类技术

1.1.1 队列管理

队列管理机制—QM(Queue Management)是基于节点定义了队列中关于处理消息的一系列的命令，队列管理是由节点之间相互交换信息来获取对环境的了解来驱动的。QM的命令针对所有消息，甚至是那些无法转播的信息。当一条消息必须加入队列而内存不够时，根据队列删除策略命令来删除消息，并提供存储空间。考虑到DTN网络具有较高的延迟，消息会在队列中存在很长的时间;而另一方面，DTN节点的存储空间有限，因此必须采用高效的队列管理策略，以避免删除有用信息。目前通用的QM策略有以下几种:

①先进先出原则(FIFO);

②目的无关原则(Destination Independent):QM只使用那些与目的节点不相关的参数，譬如跳数、转发次数、消息大小等;

③目的相关原则(Destination Dependent):QM使用与目的节点相关参数。例如到达目的节点的路径长度、延时等。

1.1.2 转发机制

两个节点在对方的通信范围内，会触发转发机制(Forwarding)。转发机制通常是基于消息的优先级来对消息进行转发，同时其作用时间较短，只在两个节点相互接触的时间之内。通用的转发机制有以下几种:

①直接投递，消息只传输给目的节点，不需要经过中间节点;

②总是转发，消息全部被转发。该策略的路由计算量小，但是会导致大量的消息被转播。

③基于知识，根据当前节点的环境(Contextual Information)、历史(Historical Information)或者社会信息(Social Information)进行消息的转发。环境信息包含当前节点的状态，如电池、速度、动向等。历史信息随着时间而获取，用于估计未来网络行为、接触时间等。社会信息描述使用者的关系用来预测社会行为，从而提高传送效率。

1.1.3 复制机制

复制(Replication)机制用来控制消息副本的数量和提高拓扑的鲁棒性。可以发现当节点接触时，一个消息可以被转发机制转发，复制机制可以通过重新进入队列来复制多个副本。在DTN网络中，消息副本在网络中的数量会在一定程度上影响消息的投递率。

①单个拷贝，信息从不复制;

②有限，消息复制的数目被控制;

③受控，只有条件达成是消息才能被复制;

④无限，对消息的复制无任何要求;

1.2 路由分类

本章路由协议的分类主要是根据上节介绍的队列管理、转发机制和复制机制。下面介绍一些典型的DTN路由协议。

DTN网络衡量的主要指标就是消息的成功投递率。由于DTN网络具有源端与目的端不存在端到端路径、链路质量不稳定等特点。随着节点的移动并与其他节点交互本节点存储的信息。因此，消息在网络中的副本量会影响它的投递率;而另一方面，节点基于的先验知识越多的话，那么对于数据投递率会越高。传染性路由协议(Epidemic Routing)、PROPHET路由协议和MaxProp路由协议，这几种路由协议的复制机制是无限的，并且转发机制是直接转发的，或者是基于一些历史或环境信息。下面简要介绍一下这几种路由协议:

传染性路由协议(Epidemic Routing):这是一个泛洪模式的路由传播过程。其主要工作模式为两个接触的网络节点通过交换信息ID来交换自身未存储的信息，从而达到信息交换的目的，直到将消息交换给目标节点。假设节点的缓冲区足够大，那么消息将会像病毒一样扩散到整个网络。传染性路由协议相对简单，因为不需要对网络进行了解。它的缺陷在于由于信息的大量复制、转发导致了缓存、带宽、能源等资源的极大消耗。传染性路由协议是DTN网络路由研究的开始。

PROPHET(Probabilistic Routing Protocol Using History of Encounters and Transitivity)使用可预测性传输作为标准来估算节点到达目的节点的可能性，可以认为是对传染性路由协议的改进。一个节点将消息转发给预测性传输概率比它自己高的邻居节点。队列管理使用先进先出原则，复制机制使用无限复制。

在MaxProp算法中，每个节点维护一张路由表，用来预测通过目前的邻居节点到达其他节点的可能性。路由表通过邻居节点和消息中提取的信息来维护。由此可知，转发机制使用了历史信息，复制机制使用了无限复制，队列管理使用了目的无关原则。

2 DTN路由协议仿真

经过理论分析得出，消息在传播的过程中消息的副本量在网络中越多，那么消息的投递成功率就会越高。本节将设置仿真场景，模拟移动Ad Hoc网络的组网环境，对上述几种路由协议进行仿真，将仿真结果与理论分析进行对比。观察的主要参数有消息成功投递率、平均时延和路由开销等。

2.1 仿真场景及设置

网络场景地图是一个城市地区，共选择125个网络节点并对它们的运行轨迹进行了设置，模拟了道路、步行街、邮局、商店、公交、有轨电车等节点装载工具，仿真的拓扑结构如图1所示。所有节点共分为6个组，分别用字母p、c、w、t表示。其中p代表一组行人，c代表汽车，w代表另一组行人，t包括3组有轨电车，每一组运行在不同的子区域。随着公交和行人的随机移动，网络进行自组网，并且消息的远端与目的端的链路会随着节点的移动发生断裂，这与DTN的特点一致。

图1 仿真场景图

2.2 仿真结果及分析

在仿真过程中分别加载了3种路由协议并对其进行比较，比较结果如表1所示，仿真时间都为43 200 s。在仿真过程中，每一种路由协议下都发送1 461个报文，其余参数一致。

根据表2可以看出，这3种路由协议都具有较高的投递成功率，而它们的路由开销都很高，缓存时间较长。由于DTN网络本身就不注重延迟和开销，因此路由协议投递成功率可以通过提高开销和延时来换取。但是投递成功率还是远低于普通无线网络和战术通信网络的指标要求。

从这3种路由算法进行比较可以看出，MaxProp路由算法传输报文最多，传输效率最高，路由开销较低。这是因为在MaxProp路由算法中每个节点维护一张路由表，预测了通过当前节点的邻居节点到达其他节点(包括目的节点)的可能性，在传输的过程中不是盲目地转发，并且它的平均传输跳数也最低。

PROPHET路由算法比传染性路由算法的表现较好、平均跳数较低，这是由于PROPHET实际上是对传染性路由协议的改进，传染性路由协议是无条件地向邻居节点转发数据，PROPHET路由算法是计算该邻居节点的转发数据的可能性，如果比自己高的话才会转发，所以表现较好。

表1 三种网络路由协议的仿真对比

通过以上分析，在通信环境复杂、稳定性较低、期望投递率较高的网络中，采用节点间消息复制量无限制、节点存储的关于邻居节点、链路、转发次数、跳数等信息越多，那么消息投递的成功率会越高，但与此同时网络的开销也会增加，这也是DTN网络中路由协议设计的难点。在网络协议设计的工程实践中，需要根据实际情况做出适当的折中。

3 机动环境下的应用分析

机动通信网络通常需要部署在战场、灾难现场等恶劣的环境中。在这些恶劣环境中，通信节点时刻面临干扰和毁伤打击，一些重要信息例如战场态势、灾情信息即使在网络遭受打击时，仍需要完整、及时地发送给指挥节点。在这些场合中，机动通信网络必须具有更高的抗毁性能。

目前的DTN路由算法尚不能直接应用到机动通信环境中，它们的主要问题包括:

①网络结构单调。通常的MANET网络路由协议设计时都假设网络中的节点平等，这是出于简单化设计的考虑，但是单一的网络结构在网络毁伤后容易产生分割;

②路由方法单一，不能自适应地调整，在某些特殊的应用场合中，网络拓扑变化较频繁和多样，需要更灵活的路由方法以保证较高的可靠性;

③路由安全方面的考虑较少。如果被敌方获取通信节点，则可能窃取我方信息或者破坏整个通信网络;

④仿真结果表明DTN路由算法的投递率仍然较低，不适应机动通信网对通信高可靠性的要求。

因此机动通信环境下网络的路由算法需要结合网络顶层设计，采用跨层设计方案，优先考虑抗毁性、安全性和自适应能力等指标。

4 结束语

DTN网络和机动通信网络的使用环境和网络架构有很多相似之处。本文试图通过分析DTN网络的核心机制－路由算法，找到适合机动通信环境的组网机制。在分析了部分主流DTN路由算法的主要技术及其特点后，对几种主流DTN路由算法进行仿真。仿真结果表明，这几种路由算法的开销较大，包括节点缓存空间和传输时延。而且传输成功率还不能达到机动通信网的指标要求。在机动通信环境下，不仅要求消息的投递率高，同时也要保证消息的完整性和安全性，因此目前DTN网络中路由算法无法直接应用到机动通信环境。下一步采用跨层设计，结合接入层和物理层参数可能是一个可行的方向。总而言之，如何设计具有高投递率、低开销、高稳定性和安全性的路由算法是一个巨大的挑战，但是其应用前景广泛，在应急通信以及机动通信环境将会发挥很广泛的作用。

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Study on DTN Routing Protocols in Mobile Communication Network

LI Wen1，LIU Wen2，FENG Wei1，ZHENG Xiang-quan1
(1．Institute of China Electronics System Engineering Company，Beijing 1000000，China; 2．The Archives of Ministry of Information Technology，Beijing 1000000，China)

The circumstance of the mobile communication network is usually very severe，and interplanetary internet，sensor network，temporary network for disasters and sudden emergencies are considered as mobile communication network．These networks have such characteristics as large delay，intermittent link loss，low data rate，etc．The traditional IP protocol stack does not work well in these networks．To address these issues，Delay Tolerant Network(DTN)has been proposed．The Bundle layer in the DTN can mitigate these issues．Furthermore，appropriate routing protocols can improve the communication quality in the network．In this paper，some popular routing protocols are classified in terms of queue management，message replication and forwarding mechanism．These routing protocols have been simulated，with the key performance metrics and characteristics of the DTN．Finally，the simulation results show that DTN routing mechanism can’t be applied directly in mobile tactical network，but some ideas could be referred．

mobile communication;DTN;routing protocols

TP393

A

1003－3114(2015)05－15－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.04

李文，刘文，冯微，等．机动通信网中的DTN路由协议研究［J］．无线电通信技术，2015，41(5):15－18．

2015－04－22

李文(1979—)，男，工程师，主要研究方向:无线通信。刘文(1982—)，女，硕士研究生，主要研究方向:指挥自动化。