DTN网络中的路由协议及其评估

时间：2022-10-08 18:33:15 计算机网络毕业论文我要投稿

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DTN网络中的路由协议及其评估

　　DTN网络中的路由协议及其评估【1】

DTN网络中的路由协议及其评估

　　摘要：本文首先对DTN网络进行了概述，介绍了DTN网络的基本特征，分析了DTN路由设计时应注意的问题，因传统Internet体系结构无法有效地在DTN网络中应用，故提出了新的DTN路由评估指标，从而为构建DTN网络路由协议评估模型奠定基础。

　　关键词：DTN 路由协议基本特征评估指标

　　1 DTN网络概述

　　DTN(Delay Tolerant Networks)，即时延容忍网络。

　　其作为一种新型体系结构，与过去Internet网络采用TCP/IP协议簇的体系结构不同。

　　TCP/IP协议的平衡运行要求具备以下四种基本假设：一是端到端之间存在持续可用的双向连接;二是传输时延较短;三是数据速率双向对称;四是丢包率和误码率都较低。

　　但近几年我们发现，如果处于极端环境时，挑战性的网络可能无法达到传统假设条件要求，出现很多具备频繁的割裂、间歇的连接、较低的数据率、较高的时延、异构互联、较高的丢包率与误码率等特性的网络，TCP/IP无法为其提供良好服务，造成当前Internet体系结构无法有效地在该网络中应用。

　　路由是DTN网络层最重要的功能，其是DTN节点之间进行通信以及提高网络间连接的基础。

　　由于DTN处于频繁割裂、间歇连接的状态，再受到存储空间和节点能量的制约，一般节点之间无法确保存在实时路径，通常要借助中继节点根据存储转发、多跳路由的方式，实现消息向目的节点的传输。

　　因此，传统TCP/IP路由协议无法支持DTN网络上层应用。

　　我们进行DTN研究的核心即是构造有效的DTN 路由协议，达到提高网络间连接性、增强消息传输速率、减少时延、降低能耗的目的，这也是DTN路由协议的关键技术所在。

　　2 DTN网络的基本特征

　　DTN网络与传统Internet等网络存在较大差别，有其自己的特点，其基本特征概括有以下几点：

　　(1)间歇的连接状态。

　　由于节点能量、节点移动具有一定的限度，造成DTN可能出现频繁断开的现象，影响到DTN拓扑结构变化，往往呈现出部分连接或者间歇连接的状态，加之网络连接状态存在随机性质，端到端的路由无法保证。

　　(2)较高的时延和较低的数据率。

　　端到端的时延代表端到端的路由上每一跳时延的总和，而对于每一跳上所经历的时延来说，其组成包括有排队、等待、传播以及传输等时间。

　　由于DTN间歇连接的特点，决定了相邻节点之间可能需要相当长一段时间才能实现连接，这就在每一跳上形成了较高的时延，从而使数据率降低，并且数据率的非对称特点也会同时出现。

　　(3)有限的资源与寿命。

　　因为受到功耗、体积、价格等因素制约，DTN相比普通计算机在节点处理、计算以及存储空间、通信能力方面相对较弱，因存储空间较小丢包率一般较高。

　　并且，极端环境使用时能量常靠电池供应，致使其寿命也有限。

　　(4)随机的动态拓扑。

　　DTN受到环境变化、能耗、故障等因素影响，其拓扑结构可能呈现动态变化，同时链路间歇的连接也可能导致拓扑结构波动较大。

　　(5)较差的安全性。

　　实际应用当中，DTN经常遭受各种安全威胁，以及听或者路由欺骗等安全攻击。

　　(6)互连的异构网络。

　　DTN捆绑层的引入，确保了异构网络在互连时消息能够得以可靠传输。

　　3 DTN路由的设计

　　(1)路由的目标。

　　由于环路路由以及节点存储空间限制，可能造成消息者或者数据包丢失现象，DTN路由的基本目标是：最大程度地提高消息传送的成功率，同时要求端到端之间的资源消耗以及时延达到最小程度。

　　(2)路由的资源分配。

　　要在保证传输率的基础上，最大程度地降低节点资源消耗。

　　因此要求在资源消耗、消息传输之间做出科学合理的选择。

　　(3)路由的可靠程度。

　　为了实现消息可靠传输的目的，要求DTN路由采用确认机制。

　　(4)路由的安全性。

　　在DTN节点上极易受到虚假确认欺骗或者路由信息的攻击，因此要求做好检测，制定解决措施，以确保路由的安全性。

　　4 DTN路由的评估

　　(1)能耗。

　　节点能耗问题作为DTN路由协议的核心问题必须认真加以对待，要有效降低能量消耗，从而达到提升DTN生命周期的目的。

　　(2)时延。

　　端到端的时延与路由跳数有直接关联，同时时延与应用也密切相关，可以说时延大小直接决定了DTN应用范围的大小以及可用性的多少。

　　(3)存储空间。

　　由于DTN节点资源有限，导致其中继负荷不可过多，不然丢包率就会增大，造成传输速率降低。

　　(4)可扩展性。

　　从实际出发，要求DTN 路由协议要能够对大规模网络提供支持，其直接影响路由协议是否可用。

　　(5)安全性。

　　所有DTN节点都可能遭受攻击的路由节点。

　　其经常受到选择性转发、确认欺骗等各种威胁。

　　这就要求保证路由信息具备完整性、保密性、可用性和抗攻击能力等。

　　(6)传输率。

　　作为一项重要评估指标，进行路由设计时必须在资源消耗与传输率之间科学进行选择。

　　(7)复杂性。

　　DTN路由协议一般由路由发现、维护、选择组成，但因受节点计算、存储能力以及能量等因素制约，要求其简单化，从而保证DTN节点的稳定运行。

　　DTN的路由协议评估指标还可以在此基础上划分得更细，依具体要求来划分。

　　5 结语

　　本文仅为DTN的概括性介绍，尽管提出了新的DTN路由评估指标，但DTN网络路由协议及其评估是一项非常繁杂的工程，因此还需在实践中不断地探索研究。

　　相信，随着科技的迅猛发展，该路由协议也定会随之发展和完善，其评估也会不断创新，从而满足网络飞速发展的需要。

　　参考文献

　　[1]成浩，卢紫毅，林青.延时中断容忍网络(DTN)捆绑层协议研究[J].军事通信技术，2011，32(1)：65-66.

　　[2]李向群，刘立祥，胡晓惠等.延迟/中断可容忍网络研究进展[J].计算机研究与发展，2009，(8)：1270-1277.

　　[3]薛静锋，陆慧梅，石琳.基于概率延迟的DTN路由算法的设计[J].北京理工大学学报，2008，28(8)：687-691.

　　[4]彭航，试论容断与容迟网络中的路由协议及其评估[J].城市建设理论研究，2011(16)：124-125.

　　DTN网络中常用的路由算法【2】

　　摘要：容滞网络泛指那些由于节点移动、能量管理、调度等原因而出现频繁中断、甚至长时间处于中断状态的一类网络。

　　与传统网络相比，容滞网络没有稳定的端到端传输路径，因而其路由问题更为复杂。

　　已有的研究工作也主要集中于这一问题，并提出了许多的容滞网络路由算法，主要有直接递交路由算法、首次连接路由算法、Epidemic、Spray and Wait等。

　　本文针对每一分类，重点综述了其中具有代表性的一些容滞网络路由算法，并总结了各算法的优缺点。

　　关键词： DTN 路由算法 Epidemic Spray and Wait

　　一.引言

　　容滞网络(DTN)泛指那些由于节点移动、能量管理、调度等原因而出现频繁中断、甚至长时间处于中断状态的一类网络。

　　它涵盖了由于节点调度而处于间歇式连通的无线传感网络、移动Ad hoc网络、周期性连通的卫星网络、乡村网络、野生动物追踪网络以及个人设备交换网络等等，具有十分广阔的应用前景，引起了广泛的关注。

　　与传统网络相比，容滞网络没有稳定的端到端传输路径，因而其路由问题更为复杂。

　　已有的研究工作也主要集中于这一问题，并提出了许多的容滞网络路由算法。

　　主要有直接递交路由算法、首次连接路由算法、Epidemic、Spray and Wait等。

　　二.DTN中单复制路由方法

　　在单复制路由方法中，网络中发送一条信息，在网络中传输的数据包只有此一份，相比于多复制路由方法，单复制路由方法可以节省大量的网络资源，但路由效率和可靠性要低，这种方法适合应用于能量，带宽及存储空间受限等应用场合。

　　1.直接递交路由算法(Direct Delivery)

　　直接递交路由(Direct Delivery)算法是最简单的单复制路由算法。

　　直接递交路由方法是源节点一直保持发送报文，直到与目的节点相遇才把报文发送出去。

　　这种方法消耗最少的网络资源，但同时将产生最大的发送延时。

　　在该路由协议中，源节点将产生的报文存储在自身的存储器中，并意图将其递交到信宿节点。

　　源节点在网络中移动，只要不是相遇到信宿节点，源节点都不会转发报文，其存储的报文直至相遇到信宿节点才将其转发出去。

　　直接递交路由算法采用单复制机制，对网络节点的存储空间要求较小，资源利用率较高，适用于目的节点定期出现的情况，比如收集特定数据的传感器的收集器等情形。

　　但是运用这种算法时仅当源节点与信宿节点相遇时，源节点才将所存储的报文递交给信宿节点。

　　所以应用的场景有限，可能需要源节点保存消息较长时间，对节点的缓存空间和能量有较高的要求，而就性能指标上来说报文的递交率较低，时间开销很大。

　　2.首次连接路由算法(First Contact)

　　首次连接路由算法(First Contact)中，源节点产生报文后将其存储在自身的存储空间中，并意图将报文递交到信宿节点。

　　该网络中只保存一个报文的副本，与直接递交路由算法不同的是源节点在网络中移动的过程中，在通信范围之内，不论遇到的节点是否是信宿节点，它会将所存储的报文转发给第一个相遇的节点;如果源节点同时与多个节点相遇，则将报文随机地转发给其中一个相遇节点。

　　在整个网络中，每个报文只存在一个报文的副本，通过中间节点的相互转发，最终将报文递交到信宿节点。

　　首次连接路由算法采用单拷贝机制，对网络节点的存储空间负载很小，资源利用率较高。

　　但是在此算法中节点携带报文，在移动的过程中只将报文转发给第一个相遇的节点，每个报文在网络中只有一份报文拷贝，因此报文到达信宿节点的概率较低，延迟很大。

　　三.DTN中多复制路由方法

　　DTN多复制路由方法中，源节点报文的多份拷贝被注入网络，当其中的一个到达目标节点时，报文被成功传输。

　　在这种路由方法的核心问题是确定优化的拷贝数和产生报文拷贝的方式。

　　其最具有代表性的路由协议有：Epidemic，Spray and Wait。

　　1.Epidemic

　　Epidemic中文称为蔓延路由。

　　Epidemic翻译过来就是传染病的意思，即碰到的节点都会”传染”这个消息，直到这个消息存在网络中几乎所有节点的存储器中，在这个过程中目的节点也会被”传染”，从而达到成功发送报文的目的。

　　蔓延路由本质上是一种泛洪算法，每个携带消息的节点都将消息转发给所有在通信范围内的邻居节点，这使得报文在网络中能够经过多条路径快速地存储和转发，能够保证找到到达目的节点的最短路径，从而使得报文的递交率很高，延迟很小。

　　但是由于蔓延路由采用基于泛洪的多拷贝机制，对节点的缓存能力要求较高。

　　而节点的存储能力往往有限，这就不可避免的造成当存储空间全部被占用后，继续要保存消息，就会有消息被删除，造成大的丢包率。

　　同时大量的传递和储存消息对能量也有较高要求。

　　所以蔓延路由对缓存和能量的消耗较大。

　　2.Spray and Wait

　　Spray―and―Wait即散发等待路由，是一种限制信息拷贝数，即规定网络中消息副本数的多复制路由协议。

　　分为源端Spray―and―Wait和二分Spray―and―Wait两种。

　　(1)源端散发等待路由的基本思想

　　源端散发等待路由在散发报文拷贝数时分为两个阶段，即散发阶段和等待阶段。

　　散发阶段：源节点将产生的每一个报文复制为L份，源节点在网络中移动，当源节点与网络中的某个节点相遇时，源节点会将其所存储的一份报文转发复制给这个节点，这个过程反复持续，直至其存储器中该报文只有一份为止。

　　等待阶段：随着源节点报文的逐步散发，报文的复制数将逐渐减小。

　　如果在散发阶段，源节点与报文的信宿节点相遇，则将报文转发给该信宿节点，这时源节点会停发该报文;如果在散发过程中源节点没有遇到报文的信宿节点，且散发阶段结束报文的复制数变为1时，源节点将转换为直接传输模式。

　　即所有携带该报文拷贝的节点只有遇到报文的信宿节点时才将报文转发出去。

　　(2)二分散发等待路由的基本思想

　　二分散发等待路由也分为散发阶段和等待阶段，但是在散发过程中，散发的报文拷贝数与源端散发等待路由有所不同。

　　散发阶段：源节点将产生的每一个报文复制为L份，源节点在网络中移动，当源节点与网络中的某个节点相遇时，源节点会将其所存储的报文的一半转发复制给这个节点，转发后自身所存储的报文数减半，这个过程反复持续，直至其存储器中该报文只有一份为止。

　　等待阶段：随着源节点报文的逐步散发，报文的拷贝数逐渐减半，自身所存储的报文数将逐渐减少。

　　如果在散发阶段，任何节点(源节点或信宿节点)在散发过程中与报文的信宿节点相遇，则将报文递交给信宿节点后停止散发该报文;如果在散发过程中源节点没有遇到报文的信宿节点，且散发阶段结束报文的复制数变为1时，将转换为直接传输模式。

　　即所有携带该报文拷贝的节点只有遇到报文的信宿节点时才将报文转发出去。

　　散发等待路由在初始时都设置了报文的拷贝数，规定了报文在网络中允许存在的最大数目，与Epidemic路由算法相比网络中的中继节点会大大减少，且节点之间的报文交换也相应的得到减少。

　　从而在一定程度上减少了网络中的冗余报文拷贝的传输，减小了网络开销。

　　而且该路由算法结构简单，易于实现和扩展，其网络的性能在网络开销等方面较蔓延路由有明显的改善。

　　参考文献

　　[1]刘艳伟，任智，彭双，杜保洋.基于社区的机会网络路由算法研究综述[J]. 广东通信技术. 2013(07)

　　[2]樊秀梅，李杨.?容迟/容断网络路由技术研究[J].中兴通讯技术. 2009(06)

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