机间自组织网络多模式传输保障方法*

黄松华，张兆晨，陈 涛，汪霜玲，梁维泰

（1.中国电科第二十八研究所信息系统工程重点实验室，南京 210007；2.国防科技大学信息系统工程重点实验室，长沙 410073）

0 引言

机间自组织网络是移动网络技术在航空平台通信领域的应用，主要通过多跳路由转发支撑航空平台间的自动连接与相互通信，实现指令信息、情报信息与环境感知信息分发、飞行状态信息交换等军民航空通信亟待实现的能力［1］。由于TCP/IP 的网络层提供的是面向无连接的数据报服务，也就是说IP 数据报传送会出现丢失、重复或乱序的情况，因此，在TCP/IP 网络中传输层就变得极为重要。从可靠传输角度，在军事层面更加及时准确地获取态势信息、指令信息、目标信息，提高时敏目标打击链的传输效率［2］；在民事层面，保障航空用户在飞行过程中的即时通信、流媒体服务和数据共享体验。当前，机间无线环境中提供的传输带宽和可靠性远远不能满足众多基于IP 的新应用和服务的并发需要，而且延时与误码率的时变性可能会导致应用体验较差［3］。

本文在分析移动自组织网络现有传输模式和挑战基础上，提出机间自组织网络多传输模式及自适应方法，在空中高动态环境下保障业务传输可靠性的同时，提升了机间自组织网络的整体传输能力。

1 相关工作

针对移动自组织网络拓扑动态变化、链路质量不稳定、路由频繁中断的特点，国内外众多学者对标准TCP 协议进行了改进，以解决TCP 对数据分组丢失或乱序原因的误判而引起的触发慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复机制，避免网络吞吐量下降。TCP 改进方案主要有以下几类：

Ki Baek Kim和Kartik Chandran 等基于网络状态反馈提升传输控制协议性能，处理自组织网络中的路由故障问题［4-5］。与原始TCP 相比，提高了自组织网络的吞吐量，使得TCP 发送端在路由重建后能够继续以较大的窗口进行分组传输。 与TCP-Feedback 机制类似，Harshad B.Prajapati等提出了基于跨层显式链路故障通告（Explicit Link Failure Notification，ELFN）的反馈机制，通过探测分组使得中间节点能够与发送端进行信息的交互，决定TCP 进入待机模式还是正常工作状态［6］。在ELFN通告基础上，为了区分数据分组还是确认分组的丢失，N.Sengottaiyan 等提出了EPLN-BEAD （Early Packet Loss Notification & Best-Effort Ack Delivery，分组丢失提早通告& 尽力传输确认分组）机制，减少TCP超时事件发生，提高移动自组织网络的吞吐量［7］。

针对移动自组网网络的TCP 的改进方案还包括ATCP（Ad hoc TCP）和TCP-BuS（TCP Buffering capability and Sequence information）等［8-9］。前者在发送端的传输层和网络层之间插入此中间层，该中间层监听来自网络层的信息，并反馈给TCP，同时通过监测接收到的重复确认分组Acks 数量来判定信道的优劣，以解决路由故障时或高误码率环境下传输层性能低下的问题；后者同样利用网络层的反馈信息去检测路由故障进而采取相应的策略，并在路由重建过程中，缓存从源节点到中间节点的分组。

此外，为了应对认知无线网络的传输频谱切换，有研究人员提出了基于TCP-MAC 跨层的TCP改进协议TCP-CR（Cognitive Radio），解决频谱切换导致的TCP 超时重传和频繁慢启动问题，提高信道利用率、传输效率和端到端吞吐量［10-11］。

以上方案主要利用网络层、链路层这两层的反馈信息，提出了正确区分网络拥塞、路由失效或链路故障等分组丢失原因的方法，通过改进慢启动过程提高了传输效率，然而这些方案需要建立端到端连接，这对于低时延的协同信息来说产生的延迟过大，而且对于高动态的空中环境，很难保证端到端的连接。

针对上述问题，本文综合跨层感知（需求与丢包原因）、跨层横向立体直传、分段握手确认、纠错等手段，提出了分段可靠、半可靠、高效直传等多种传输模式及其自适应方法，满足低时延、高可靠、大容量等机间自组织网络传输信息的不同需求。

2 多传输模式

针对机间自组织网络链路特点和指令、情报、控制等信息传输要求，在传输层以分段连接为基础，分别采用不同的握手和确认机制，自适应提供分段可靠传输、半可靠传输、高效直接传输等多种传输服务模式。

2.1 传输协议数据帧结构

为了与基于TCP/IP 的节点通信，机载网络传输协议应能够与TCP 和U D P 有效地互操作；同时，在机载环境中，链路带宽有限，高效的数据帧结构非常重要。机载网络传输协议数据帧结构如表1 所示。

表1 机载网络传输协议数据帧结构

在这个帧结构中，Source port是源端口号，表示发送数据的应用程序的端口号；Destination port是目的端口号，表示接收数据的应用程序的端口号；Sequence number是数据帧的序号，可以解决数据帧到达目的节点出现乱序的情况；Timestamp 是时间戳；mode 表示当前数据传输采用的是哪种传输服务模式；HEC 是报文头的校验码，确保在无线信道下报文头的完整性；payload 是待传输的数据；CRC-32 是待传输数据的校验码，用于保证待传输数据的正确性，在不同的传输模式中作用不同。

2.2 分段可靠传输模式

分段可靠传输模式采用源节点与目的节点之间消息分段接收、缓存、确认与断点续传机制，在每跳的下一节点暂时无响应等极端情况下，采用按需机会路由和逐跳的消息确认代替源节点与目的节点之间端到端的消息确认，实现确保的传输服务，即传输路径上的下一个节点收到数据后立即向上一跳节点发送确认消息，以后消息传输的可靠性则由后面的节点来保证，传输过程如图1 所示。

图1 分段可靠传输模式

其中，各段的连接协议基于TCP 进行改进，具体如下：1）连接建立请求ASYN 和数据同时发送，无需在源目节点间完成3 次握手，数据发送完毕时发送AFIN 信令，逐段拆除连接，以适应机间自组织网络的动态性和通信链路质量的波动性。2）通过跨层感知让发送端清楚网络的真实状态，让网络层、链路层、物理层都恰当地参与网络拥塞、路由失效（移动导致路由临时失效）或链路故障等问题的发现和解决过程。比如在物理层根据信号强度和节点距离之间的函数关系，节点通过测量无线信号的强度计算节点间的距离，根据节点间距离的变化来预测节点的运动趋势：当节点间距离超过某一阈值时，如果传输层发送失败，就认为是路由中断导致了丢包；而当节点间距离在一定范围内时，如果发送失败，就认为是随机误码。在网络层，当发送失败原因为未收到对方应答，可以认为发生路径中断；当失败原因为对方收到分组错误，可以认为链路质量下降，出现误码。3）当发现路由中断时，发送端即停止发送数据，冻结TCP 当前的各个环境变量；当发送端获知路由恢复后，利用路由中断前的各个变量值恢复数据的传送。4）当链路层频繁出现因误码导致的发送失败，此时发送端减速发送，减轻信道的压力。5）通过中间节点缓存和断点续传，提高网络传输的效率，适应机间自组织网络的动态特性。

2.3 半可靠传输模式

半可靠传输模式采用源节点与目的节点之间分段消息发送、连接建立请求和纠错机制，极端情况下分段化为逐跳，并通过纠错机制实现相对确保的传输服务，传输过程如图2 所示。

图2 半可靠传输模式

半可靠传输模式的消息及其纠错码和连接请求ASYN 同时发送，ASYN 只发挥告知对方节点，作好数据接收、检验纠错、中转准备，但无需对方节点确认；数据发送完毕后超时拆除单向连接，无需发送AFIN 信令。

2.4 高效直接传输模式

高效直接模式在源节点与目的节点之间建立直接链路，同时跨层调用底层的链路服务模式，传输层数据包直接封装成链路层数据包通过直接链路发送，实现近实时的小容量传输服务，传输过程如图3 所示。

图3 高效直接传输模式

为了提高网络的适应性，跨应用层和传输层提供业务传输需求的感知能力，设置不同的生命期，并提供“低时延、高可靠、大吞吐量”3 种策略。

1）针对指令信息和文本情报信息，由于量小但可靠性要求高，采用“高可靠”策略，使用分段可靠传输模式，把路径分为相对稳定的多个分段，各段内采用改进的可靠传输模式，保障高动态环境下指令信息传输的可靠性。

2）针对图像和流媒体情报信息，由于量大但对时延要求不高，采用“大吞吐量”策略，使用半可靠传输模式，提高机间自组织网络的整体传输能力，保障大容量情报信息传输的可靠性。

3）针对控制信息，由于量微但要近实时，采用“低时延”策略，使用高效直接传输模式，用链路层报头直接封装传输层数据包，再通过大功率链路直传方式，减少路由转发带来的时间开销，保障控制信息传输的时效性。

3 对比分析

3.1 定性分析

机间自组织网络的多模式传输方法与TCP 传输体制对比如表2 所示。

表2 多模式传输体制与TCP 传输体制的对比

从表2 可以看出，本文提出的多模式传输方法相对传统的TCP 传输方法传输效率更高，对空中高动态无线环境，以及空中多种业务的适应能力更强。

3.2 定量分析

基于OPNET 14.5 仿真平台，开发机间自组织网络多模式传输仿真软件。通过仿真试验验证传输方法有效性，并与传统的TCP 传输协议进行对比分析，证明多模式传输方法的有效性。

3.2.1 多模式传输有效性分析

主要测试在不同链路质量条件下的丢包率和占用带宽。仿真场景设置链路误码率范围0.1%～5.0%；分组最大允许时延300 ms（超过300 ms分组即失效，直接丢弃）；单向网络时延设50 ms~75 ms，即可支持重传一次或两次。

测试用例分组来自节点1 和节点2 之间持续时间200 s的双向语音通话，在节点1 和节点2 之间插入转发节点3，并配置其为中继节点。语音使用G.711a 编码，以4 ms 间隔发送，每个语音分组长度为84 Byte。表3 列出不同链路误码率和时延条件下单向语音数据传输的性能。从表3 可以看出，在机间自组织网络动态分段传输过程中，多模式传输可以有效降低链路质量波动导致的网络丢包率，提高网络吞吐量。

表3 单向语音数据传输的性能

3.2.2 多模式传输与T C P 对比分析

在同样的环境仿真测试多模式传输和标准TCP在不同丢包率条件下的吞吐量表现。仿真场景设置链路丢包率范围为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。测试用例分组来自2 个节点间的50 Mb 文件传输，测试结果如下页表4 所示。从表4 可以看出，在链路质量变差或波动时，多传输模式的吞吐量远高于传统的TCP 传输模式。

4 结论

机间自组织网络业务需求多样，业务服务质量保障面临着网络拓扑结构时变、网络状态信息不精确、链路质量波动等挑战。本文首先分析机间自组织网络传输方法研究现状，然后综合跨层感知（需求与丢包原因）、跨层横向立体直传、分段握手确认、纠错等手段，提出基于业务分类的机间自组织网络多传输模式及其适应方法。与传统的TCP 改进方案相比，本方法在满足小容量低时延、大容量低抖动、高可靠业务信息传输需求的同时，提升了机间自组织网络的整体传输能力，增强了空中通信的可靠性和稳定性。

表4 多传输模式和标准TCP 测试结果