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容迟网络;
高延迟路径;
频繁网络割裂;
覆盖网络
中图分类号:
TP393 文献标识码:
A 文章编号:
037222112(20080120161210
State2of2the2ArtoftheArchitectureandTechniques
forDelay2TolerantNetworks
FANXiu2mei1,SHANZhi2guang2,ZHANGBao2xian3,CHENHui1
(1.BeijingKeyLabofIntelligentInformation,SchoolofComputerScience,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;
2.DepartmentofInformatizationResearch,StateInformationCenter,Beijing100045,China;
3.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China
Abstract:
Thesuccessfularchitectureandsupportingprotocolsoftoday’sInternetoperatepoorlywhenfacedwithoperatingenvironmentscharacterizedbyverylongdelaypathsandfrequentnetworkpartitions.Theseproblemsareexacerbatedbyend2nodesthathaveseverepowerormemoryconstraints.Becauseoflacking”always2on”infrastructureinmobileandextremeenvironments,manysuchnetworkshavetheirownspecializedprotocols,anddonotutilizeTCP/IP.Toachieveinteroperabilitybetweenthem,re2searchershadproposedanetworkarchitectureandapplicationinterfacestructuredaroundoptionallyandreliableasynchronousmes2sageforwarding,withlimitedexpectationsofend2to2endconnectivityandnoderesources.Thisarchitectureiscalleddelay2tolerantnetworks(DTN.Itoperatesasanoverlaynetworkabovethetransportlayer.Inthispaper,westudythestate2of2the2artarchitectureandkeytechniquesforDTN,discusstheirmeritsanddeficiencies,andpointoutpotentialissues.Itisourpurposetostimulatemoreresearchinthisnewpromisingnetwork.
Keywords:
delay2tolerantnetworks;
highdelaypath;
frequentlynetworkdisconnection;
overlaynetworks
1 引言
多年的实践证明,使用TCP/IP协议簇的Internet是相当成功的,但TCP/IP协议族的平稳运行是依赖如下物理链路特性假定的:
①在数据源和目的地之间存在端到端的路径;
②在网络中任何节点对之间的最大往返时间(RTT不能太长;
③端到端的分组丢失率较小.不幸的是,现在有一类越来越重要的所谓“受限网络(Chal2lengednetwork[1]”,它可能违反了上述假定中的一个或多个,这使得当前的TCP/IP模型不能很好地为其提供服务.
“受限网络”最初是由于主机和路由器的移动而出现的,也可能是由于能量管理或冲突导致的网络分割/断开(networkpartition/disconnection而形成的.下面是这类网络的几个典型例子[2].
●陆地移动网络(TerrestrialMobileNetworks:
在许多情况下,由于节点的移动性或射频(RF冲突,这些网络可能变得不可想象的割裂开.在一些情况下,网络可
收稿日期:
2006210217;
修回日期:
2007212219
基金项目:
国家自然科学基金(No.90604012,60673054;
国家863高技术研究发展计划(No.2007AA01Z220;
北京理工大学基础研究基金(No.BIT2UBF2200501F4209
能难以形成一条端到端(E2E的路径,并且网络的割裂方式可以预测.例如,一辆经常往返的公共汽车可以被用作消息存储和转发的工具,因为它只有有限的RF通信能力,也就是有限的通信范围.当这类公共汽车从一个地方行进到另一个地方时,它可以在附近的客户机(clients和它将去往地点的远程机(remoteclients之间提供消息交换服务.
●外来媒体网络(ExoticMediaNetworks:
外来通信媒体包括近地卫星通信、长距离无线链路(例如秒级或分钟级传播延迟的太空通信、在空气或水中采用声波调制的通信等.这些系统可能有可预言的高延迟(例如由于行星的动态性、也可能因环境因素引起的损耗、或者提供一种可预期的偶尔可用的存储转发网络服务(例如每天一次或多次通过的低地轨道通信卫星.
●军事无线自组织网络(MilitaryAd2HocNetworks:
这类网络可能部署在敌对环境中.节点的移动性、不可预测的环境因素或者故意的人为干扰都可能引起网络割裂.除此之外,当有高优先级的业务时,低优先级业务需要和高优先级业务去竞争带宽,这将使得消息转发经历更大的排队延迟.同时,出于可靠与安全考虑,这类系统需要有严格保护措施的下层基础结构.
●传感器和传感器/执行器网络(SensorandSensor/ActuatorNetworks:
这类网络中的节点存在着严重的能量、存储空间和计算能力的不足.此外,这类网络可能规模很大,包含数千乃至数百万量级的节点.为了保存能量,这类网络中的通信常常是预订的,可能在一段时间内不存在及时的通信路径.传感器和传感器/执行器网络通常通过具有协议转换能力的代理节点与其他网络互联.
在以上这些网络中使用成功的Internet体系结构和协议是可以想到的最显然的解决方式.但由于这些网络应用可能有非常大的链路延迟、不存在端到端路由、缺乏连续的能量供给、缺乏大存储能力等,这些特性对现有Internet体系结构和协议的应用都提出了严峻的挑战.为使现有Internet体系结构和协议适应这些特殊环境,目前已有学者提出的一种方法是“链路修正法(link2repairapproaches”[3],它试图将问题链路转化为适应TCP/IP的类似链路,努力保持Internet的端到端可靠性和共享模式,要求所有的路由器和端节点执行IP协议.另一种方法是“网络特殊代理法(network2specificproxiesapproaches”[4],它是将受限网络作为Internet的边缘(edge,通过特殊代理连接Internet和受限网络,但它没有提供一种通用的方法进行数据传输.研究和分析表明这两种方法都不能很好地解决容迟网络(DTN,Delay2TolerantNetworks中存在的问题.
容迟网络体系结构研究是因特网研究任务组(IRTF的容迟网络研究组(DTNRGΞ在星际网络研究组(IPNRGΞΞ基础上发展而来的,最初是为行星间Inter2net通信而提出的,它主要聚集在高延迟的太空通信和缺乏连续联接的不同网络协同工作环境[2,35],是一种面向消息(message的可靠的覆盖层体系结构,是形成受限网络互联的适当方法.容迟网络的设计受到了传统Internet互联协同设计思想、电子邮件健壮的非交互传递思想和美国邮政系统业务分类思想的影响,它提供了异步消息传递的业务,可以和TCP/IP联合使用.
2 受限网络的基本特性
受限网络不同于现有通信网络,它主要具有如下几个特性[2]:
(1路径和链路特性
●高延迟、低数据率(Highlatency,lowdatarate:
端到端延迟表示端到端传输路途上每一跳的延迟总和.每一跳上经历的延迟是由通过相关链路时的传输时间、处理时间和传播时间组成的,可能还要加上排队时间.如果忽略处理时间和排队时间,传输时间和传播时间是直接受下层传输媒体影响的.对受限网络来说,传输率可能较小(例如大约10kbps,延迟可能较大(大约1秒或以上,而数据率在很大程度上可能是不对称的(例如一个高速率的下行数据信道和低速率的上行控制信道.
●网络断开(Networkdisconnection:
在许多受限网络中,端到端断开可能比端到端连接更普遍.一般说来,断开可能是由于错误或其他原因造成的.由于错误而断开在传统网络中已有很多研究,这里不再考虑.由于移动和低占空比(low2duty2cycle影响,非错误(Non2faulty断开频繁地出现在无线环境中.由于移动引起的断开是可预测的(例如通过卫星系统、扮演数据载体的公共汽车等或随机的(由于漫游而到达通信范围的节点;
由于低占空比系统操作引起的断开在低能力设备(如无线传感器中是普遍存在的,也是可以预知的.
●长排队延迟(Longqueuingdelay:
在统计复用分组网络的多跳路径中,与传输和传播延迟相比,排队延迟通常起主导作用.这样的网络中,排队时间很少超过1秒(通常会更小,并且如果下一跳不是即时可达的就会丢弃分组.相反,在断开很普遍的受限网络中,排队时间可能是相当大的(几小时,甚至可能几天.这就表明,消息可能必须在中间路由节点存储相当长的时间,并且已经做出的下一跳选择可能作废(revoked.也就是说,如果发现消息转发更好的路由器,消息就应当被传
261 电 子 学 报2008年
Ξ
ΞΞhttp:
//www.ipnsig.org/
http:
//www.dtnrg.org/
递到新的下一跳.
(2网络体系结构
●互操作性:
在大多数受限网络中,网络体系结构主要是由链路和媒体接入控制协议组成的,基本没有考虑互操作性问题.其原因是大多数情况下,链路上几乎很少有受限网络中的通信,且在互联中使用这样的链路还没有成为一个主要需求———这还只是一个研究领域.因此,这些网络相对简单、应用范围较小、且不能像Internet那样提供基本的分层和抽象功能.不考虑互操作性,受限网络的设计可能采用特殊的应用格式、受限的节点地址和命名能力、数据分组大小限制等等.他们在可靠执行、拥塞控制和安全等方面也可能没有进行考虑.网络设计必须能够在最小程度上保证下层协议能力和可扩展性.
●安全性:
在受限网络中,通信媒体是外来的(ex2otic并且可能是被过量预订的.通信链路能力是一个宝贵资源,数据转发应当被认证、并采用接入控制等机制保护.如果采用综合业务的话,也应当实现接入控制乃至服务分类(CoS,ClassofService.对链路资源十分宝贵的容迟网络来说,端到端的安全策略通常并不吸引人,主要原因是:
第一,端到端方式一般要求某种形式的端到端密钥交换,而在许多容迟网络中这是不可能的;
第二,在认证和接入控制执行前传输一些业务流到它的目的地是不合要求的.
(3端系统特性
●寿命有限(Limitedlongevity:
在一些受限网络(如无线传感器网络、军事无线移动网络和紧急反应网络等中,端节点可能被放置在敌对环境或恶劣环境中.在这种情况下,由于环境恶劣或能量消耗,设计者可能并不期望网络节点有较长寿命.如果这样的网络长期断开,那么一个特殊消息传输的往返时间或单向时间都可能超过发送节点的寿命.显然,在这种情况下是不能使用通常的反馈确认机制去检验消息传输.因此,可靠传输的责任应当被委派给一些其他设施,并且任何成功或不成功传输的通知都需要被传输到一个具有反馈功能的代理上.
●低占空比操作(LowDutyCycleOperation:
当节点被放置在没有供电系统的区域时,它们通常使用电池(也可能使用太阳能充电,并且即使可以充电,这些系统通常也通过限制他们的占空比去努力节约能量.在一些情况下(例如电池供电的传感器,为了实现整个网络的长寿,占空比维持在1%.这样的设备定期收集数据,并以一定的速率(通常很小进行数据汇报.对这样的系统,通常需要预先规划正常的运行时间,隔离影响路由协议的操作.当然,在不能正常工作期间发现一个新节点加入网络也是一个急需解决的问题,已有几种方法来解决这个问题,例如“wake2upradios”[5],在数据到来时它能够监控通信并唤醒主要的无线设备.
●资源有限(Limitedresources:
上面提到的几个受限网络的例子中使用了有限存储和处理能力的节点.例如,对于一个存储能力有限的传感器来说,如果它的存储被正在传输中的数据全部使用,那么它可能被禁止收集更多的数据.除此之外,端节点还需要至少保持RTT时间的重传缓存空间.在这期间,节点执行能量降级模式操作,这使得系统设计非常复杂,特别是在收到其他异步消息或监测到一些突发事件发生时尤其严重.
3 容忍延迟面向消息的覆盖层体系结构
受限网络在性能特性和网络体系结构等方面都和Internet相背离.研究表明[6],试图在这种网络上通过修补、加强已有协议来进行应用是十分困难和难以适应的;
通过构造一个覆盖层代理使得它可以在适当的时候使用Internet协议,但在其他时候支持受限环境下的其它协议族的方法也是不太理想的.因此,研究者们提出了一种新的面向受限网络的“容忍延迟的面向消息的覆盖层体系结构”,简称容迟网络(DTN.
DTN是基于消息(Message交换的,其数据单元可能是消息、分组或“捆绑(bundles”.一些消息聚合在一起传递被称为“捆绑”[7],处理它们的路由器被称为“捆绑转发器(bundleforwarders”或DTN网关.Burleigh等人提出了一个新的端到端覆盖层网络协议[36],称为“绑定(bundling,它的功能类似于Internet中DNS的域名到地址的映射.
DTN的体系结构不同于Internet的体系结构,它被设计来解决受限网络存在的问题.DTN引进了一个所谓的“捆绑层(bundlelayer”[4~9],是面向异步消息传输的覆盖网,操作在不同网络的传输层上.“捆绑层”提供和Internet网关相似的功能,但有很大区别,因为它聚集在虚消息转发而不是分组交换.DTN体系结构的具体分层形式见图1所示
.
与现有通信网相比较,DTN网络引入了一些新术语,并且重新定义了一些已有术语,主要有:
361
第 1 期樊秀梅:
(1DTN网关和区域(DTNGatewaysandRe2gions
DTN作为一个“覆盖层”体系结构可运行在不同网络协议栈之上,当一个DTN节点和两个或更多不同网络有物理连接时提供网关功能.DTN网关综合了Metanet的“waypoint”概念[4]和初始ARPANET中的网关定义[9].“way2point”概念描述了为进入一个区域数据必须通过的一个点.DTN网关采用可靠的消息路由代替了“尽力而为”的IP分组交换.当要求可靠传输和将全球命名转换为本地名称时,DTN网关将消息可靠地存储在非易失性存储器中.DTN网关也进行安全检查,以确保转发是容许的.
如果两个节点可以不通过DTN网关进行通信,那么称这两个节点处在同一区域中,区
域边界用来表示不同网络协议和地址族之间的互联点.图2[2]是DTN体系结构的一个简单例子,图中有四个区域,分别为A、B、C、D.区域B包括一个携带DTN网关的经常运营的公共汽车,该公共汽车往返于DTN网关3和DTN网关5之间.区域D包括一个定期连接的近地卫星链路.
(2接触(contact
“接触(contact”指的是一个通信的机会.在一个间歇连接网络(intermittentlyconnectednetwork中,链路能力在0和一个正数之间波动变化.链路能力是正数的链路称为“接触”.接触量被定义为接触时间与接触链路能力的乘积.接触分为五类[22]:
●持续接触(Persistent:
一直处于连接状态.例如,像DSL或CableModem等“一直在线”的Internet连接.
●点播接触(On2demand:
一旦
有需求,就可以启动并保持所需要
的连接时间.例如,拨号连接.
●间歇的、可预定的(Intermit2
tent,scheduled接触:
建立连接合同,
可以保持在特定时间和特定区间的
连接.例如,近地轨道卫星.
●间歇的、偶然的(Intermittent,
opportunistic接触:
这类接触是不可
预定的,只有在链路偶然可用时才
可以使用.例如,移动的红外设备或
蓝牙设备.
●间歇的、可预测的(Intermit2
tent,predicted接触:
不能预定,但可
以基于早期的连接模式、观察到的
消息等使用概率来预测连接.这是
一个正在研究的开放领域,几乎没有提出的方案.
(3名称二元组(NameTuples
为了支持DTN消息的路由,采用名称数组来标识目标或目标组.名称数组由两个可变长度部分组成,其形式为{区域名,实体名}.区域名全球唯一,可以通过分级构建,具有拓扑意义.实体名表示在某一特定区域中的名称,它可以在区域外不唯一.实体名可以是任意结构.DTN消息长度是没有限制的,并且不保证按序传输.当一个消息传输经过一个长的、异构区域集合时,可以仅仅用区域名来路由.在到达目的区域边界时,如果必要,实体名消息被翻译成本地适用的协议标准名称(或地址.
(4邮政类型服务(APostalClassofService
受限网络意味着各种资源受限.因而采用基于优
461 电 子 学 报2008年
先权的资源分配是很必要的.但是在许多情况下为了可实现或使用户不被搞糊涂,应避免使用复杂的服务类型(CoS,classofservice结构.在DTN中采用美国邮政服务中的服务类型子系统作为DTN中的“束服务类型”,主要提供保管转发、收到回复、保管转发通告、转发消息通告、递送优先级和认证六类CoS服务[30].
(5保管传递(CustodyTransfer
DTN体系结构包括稳定点(P和非稳定点(NP两类消息路由点.假定稳定点可以容纳一些稳定消息存储,而非稳定点不行.除非不能或不想去存储一些特殊消息,稳定点使用适合一定区域的传输协议来参与保管传递.保管传递指的是消息从一个DTN跳到下一DTN跳,并且能可靠地传递.保管传递是为了加强端到端连接的可靠性并对抗高丢失率和资源缺乏而提出的概念.事实上,保管传递可看作是端到端可靠性的优化,.
因为捆绑转发功能假定下层具有可靠的传递容量,且在形成保管传递时传递容量具有消息边界,所以缺乏这些特性的传输协议应当得到扩展.图3[2]表示了捆绑转发器的执行结构Ξ.如图3所示,可靠传递由下层传输来提供,捆绑转发器仅仅管理连接状态和连接失去后的初始重启工作.在面向连接协议情况下,通常通过应用接口来监测连接的丢失.例如,在太空通信中,恰当的通信时机和路径延迟可能由于行星的动态性而难以确定.
(6拥塞控制和流量控制
作为一个逐跳通信体系结构,DTN的流量控制和拥塞控制是紧密相联的.DTN中的流量控制指的是限制DTN转发器向它的下一跳的发送速率.拥塞控制指的是如何处理长期存储在DTN转发器中的内容.
对于流量控制机制的执行,DTN转发器试图利用本区域中下层传输协议使用的流量控制机制.对大多数成熟网络来说,这样的一些机制已经存在,例如TCP,X.25,RTS/CTS,XON/XOFF,直接接入/速率控制等.通常情况下,在DTN中是假定流量控制机制是存在的,并可以确保消息的可靠传递.
和其他网络相比,DTN的拥塞控制是相对困难实现的,主要因为如下两个特性:
第一,在将来的一段时间可能无法建立连接(如此累积的数据可能在不久的将来没有机会传出去;
第二,除非在极端情况或过期后,否则已经收到的保管消息不能被丢弃.目前主要使用基于优先级的FCFS来分配保管存储.如果DTN转发器接受合同外的保管消息,那么将出现阻塞.这样,节点的长期存储可能被完全消耗掉,因此,要避免非保管消息传输.
拥塞控制机制可以分为主动和被动两类.主动(Proactive方法通常包括一些接入控制形式去避免在开始处的拥塞攻击.许多情况下,一个单区域可能是在一个单实体的管理控制之下,这种方法是实用的.除此之外,任何过期的消息都将被安全丢弃.如果主动方式是不够的或不可用时,则就需要使用被动(Reactive方法,这将使得性能下降.
4 DTN网络关键技术与相关研究成果
DTN体系结构主要是针对星际Internet[7]而设计的.它描述了一个有意义的进化发展.影响DTN网络正常运行的关键技术有很多,目前学术界主要关注的包括路由、传输协议、安全和组播等技术.在这些方面的研究尽管时间较短,但发展很快,并已经形成了一些研究成果可供进一步深入研究借鉴和参考.
(1路由技术
在ACMSIGCOMM2004年会中,Jain等人提出了DTN网络中的路由问题[16],明确提出了DTN路由的主要问题就是确定消息如何端到端地穿越一个随时间变化而连续变化的网络,且这种动态
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- 网络 体系结构 及其 关键技术 研究
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