容迟网络中的路由算法笔记（一）转

亦凉 2022-08-28 09:00 104阅读 0赞

# 第一章 容迟网络概述 #

## 容迟网络 ##

泛指部署在**极端环境下由于节点的移动或者能量调度等原因而导致节点间只能间歇性进行通信甚至长时间处于中断状态的一类网络**。它是一种新型的**端到端存储转发体系**结构。

注：端到端通信是一个网络连接，它是针对传输层的，传输层为网络中的主机提供端到端的通信。即从发送端到接收端。点到点通信是针对数据链路层或网络层的。

**前提**：陆地上的挑战性网络：由于节点的强移动性等特点，其更加强调节点之间连接的频繁中断。  
**IPN**（星际网络）：由于节点之间具有极远的距离，其更加强调节点之间传播的高时延。  
**于是产生了" Delay/Disruption Tolerant Network"，即容迟网络**。

**容迟网络相较于其他网络的特点：**

1.间歇性连接  
2.时延极高，数据传输率低  
3.资源有限  
4.拓扑结构随机动态变化  
5.易构互连：容迟网络是面向异步消息传输的覆盖层网络，其运行在不同异构网络的协议栈之上，因而需要确保异构网络互连时消息的可靠传输。  
6.低信噪比和高误码率：低信噪比会引起通信信道中信号的高误码率，极大地影响信息接收端对信号的解码和恢复。  
7.安全性差

## 容迟网络的体系结构 ##

**在传输层和应用层中间加上一个捆绑层**。容迟网络为一个位于不同网络的不同协议栈之上的覆盖层网络，并在不同网络之间提供存储转发的网关功能。**它覆盖多个拥有不同传输协议的区域网络，并对位于该层之上的应用程序提供统一的接口**。  
对于**捆绑层**有如下几个**特征**：

**1.区域和网关**。其中**区域**是一类具有特定协议和通信需求的**特定网络**。网关是用来连接两个具有不同网络体系结构和协议的区域。  
**2.名称元组**。由两个长度可变的部分组成，其形式为\{区域名，实体名\}。区域名是全球唯一的。实体名在区域内唯一，区域外不唯一。  
**3.邮政式投递服务**（PDS）。采用基于优先级的资源分配和消息传输机制。  
**4.路由选择**。为了在区域设计中提供最大的灵活性，DTN体系结构本身并不指定任何特定类型的路由机制。  
**5.可靠性和保管传输**。其中保管传输是为了保持端到端连接状态，并应对高丢包率和资源缺乏而提出的概念。根据节点的存储能力，DTN体系结构将节点分为持久的和非持久的。前者资源充足，后者资源不充足。DTN面临着很高的消息丢包率，需要确保那些不具备足够资源的节点不必去承担和维持端到端可靠性传输的任务。一旦被保管的消息束被传递至一个（持久）Persistent节点，源节点便不必继续维持该消息束的副本。  
**6.聚合层**。DTN体系结构由底层所提供的功能可能存在着显著变化。假定底层可以实现可靠传输，则需要增加一个包含特定聚合层的协议来确保这些底层功能的实现。  
**7.时间同步**。通信节点之间的时间同步。  
**8.流量控制和拥塞控制**。流量控制是指限制DTN节点的发送速率以匹配下一跳节点的接收速率。拥塞控制是指处理对DTN网关中持久存储资源(persistent storage)的竞争。  
**9.安全**。要求限制访问可用的稀缺资源。防止未经授权的应用程序利用网络资源，并防止被授权的应用程序访问比其自身等级更高的服务。

## LTP传输协议 ##

**背景**:传输层的可靠通信协议依赖于TCP协议，TCP协议是会话式协议，它需要相互通信的双方都保持有通信状态信息，且状态信息的更新需要双方进行数据交换。而在容迟网络中，信息传输的端到端时延较高，依靠交换信息来更新状态信息的速度较慢，这种太长的时延会导致状态信息过期，无法跟上实际网络拓扑的变化情况，**因此TCP协议并不适用于容迟网络**。

**LTP协议工作于数据链路层以上，捆绑层以下，覆盖于各种使用不同协议的区域之上，向上提供统一的接口**。

### LTP协议特点: ###

1.数据块分为红部(red-part)和绿部(green-part)两个部分。**其中红部数据传输时必须使用确认和重传机制，绿部数据的传输是尝试性的，因而没有釆用这种可靠机制**。其中红部可以提供类似于TCP的可靠传输功能，绿部可以提供类似于UDP的不可靠传输功能。  
2.数据块是分段的。数据块中红部的最后一段是红部的结束部分，当接收者收到这部分数据时，表明红部的传输已经结束， 此时接收者必须向发送者发送一条确认信息，表明该部分数据已经全部收到。发送者发送完这部分数据之后，会启动一个计时器，如果在限定时间内发送者没有收 到接收者的确认信息，该红部数据就会被自动重传，这种机制确保了信息传输的可靠性。  
3.数据流只能是单向的，确认和重传报文并不直接附着在数据段之后，而是被封装在一个单独的数据段中。  
4.推迟传输。LTP协议本身提供当前连接的状态，无法立即传输出去的报文就被缓存在队列之中，等待合适的传输时机。  
5.LTP依赖于对报文到达目的节点时间的准确计算，这样做是为了确保能够在正确的时间实施报文重传。报文到达目的节点的时间，下界要比上界更严格。  
6.当发送者收到红部数据丢失或损坏的信息时，就会启动重传机制。红部所占的比重很大时，更好的做法是使用多个类似于EORP的记录点。数据块的传输会话可以被发送者取消，也可以被接收者取消。  
7.LTP通过Authentication和Cookie两种机制来解决安全性问题。 Authentication机制可以确保数据段的真实性和完整性，Cookie机制则增加了 LTP 引擎遭受拒绝服务(denial of service, DoS)攻击的难度。

## 容迟网络的典型应用 ##

**移动车载网**：以实现车辆与车辆之间， 辆与路边基础设施之间的多跳无线通信，为车辆提供事故预警、交通管理、路况检测、拥塞预报等多种安全应用。此外，利用车辆与路边接入点的机会通信，还可以提供Internet访问和多种商业应用。

**星际互联网**(IPN)：星际环境复杂、通信距离过大、通信能力受限等都为深空通信带来了巨大挑战。

**野生动物追踪传感器**：在没有无线基站覆盖大面积区域的情况下，以较高的传输时延为代价，换取了较高的数据传输率。

**社交容迟网络**：**大量携带无线通信设备的用户节点组成，强调利用节点移动和短距 离无线通信技术(如Wi-Fi、蓝牙)来实现用户之间的信息共享**。手持设备网(pocket switched network.PSN)1371就是由随身携带的手持设备形成的一种社交容迟网络。

## 容迟网络研究的热点问题 ##

**1.路由技术**  
**背景**： 容迟网络处于间歇连接、频繁割裂的状态以及节点能量、存储空间有限， 节点间往往无法保证实时的端到端路径存在，导致传统的基于TCP/IP的路由协议很难发挥效用。  
**解决办法**：在传输层上叠加**Bundle层**，DTN路由采取了 “存储- 携带-转发”或“存储-等待-转发”的路由模式。  
其中**Bundle被称为束，有时候也称为消息，是DTN中的基本数据单元，长度可变。**  
（1）Bundle的消息转发实际上是实现多个报文的存储、聚合、传输，以降低对端到端连接的需求。数据在传输过程中能够存储在各个DTN节点中，当连接断开的时候，Bundle仅需要从邻近的存储节点进行传输，通常使用逐跳确认机制来保证可靠性与安全性。  
（2）接触(Contact) ， Contact表示一次通信机会，即两个节点之间存在一条可以通信的连接。  
（3）保管传输(custody transfer) ， DTN网络中的部分节点具有持久存储器，保管传输的语义是指从发送者到接收者的这条路径上，将可靠传输的责任逐跳地递交到下一个节点。使用保管传输机制的同时也给DTN路由带来了特殊的挑战，即有限存储资源的管理和使用。  
**2.移动模型**  
节点移动模型描述了节点的移动模式，包括空间(如位置、速度、方向)和时间(如滞留时间、访问频率)等特征的变化，被广泛应用于容迟网络协议的性能分析和效率评估中。  
**（1）基于独立同分布理论的随机移动模型**  
目前广泛流行的基于独立同分布的随机移动模型有**随机路点模型(random way point, RWP)随机游走模型(random walk, RW)和随机方向模型(random direction, RD）**  
节点间的相遇可以用两个特征参数来描述，即相遇时刻和相遇周期。相遇时刻是指两个节点从静止开始到第一次相遇时经过的时间间隔，而相遇周期是指两个节点前后两次相遇的时间间隔。其中节点相遇时刻的数学期望值服从指数分布或其尾部服从指数分布。  
**（2）基于实际统计的移动模型**  
在一个有限的移动空间中，节点相遇周期的期望服从指数分布。但是如果去掉有限边界的条件限制，按照随机路点模型移动的节点的相遇间隔就与实际统计观察到的结果相一致，近似地服从幂律分布。  
**（3）基于社区的移动模型**  
社交容迟网络中，节点具有一定的社交属性，如拥有共同兴趣的节点往往聚集形成 一个“社区”，因此节点表现出一定的社交聚集特征。在该模型中，节点并不是随机选取移动位置，而是充分考虑节点具有的社交属性。例如，节点的行为特征和兴趣爱好，即节点频繁访问某个特定位置或遇到特定节点。  
**3.安全问题**  
**背景**： DTN节点通常是暴露的设备并且缺少物理安全保护，节点间的通信方式采用无线传输，容易受到拒绝服务(DoS)攻击、虚假路由信息、确认诈骗、选择性转发等安全威胁。此外，容迟网络利用节点间的相遇机会进行通信，使得网络中的节点更加不可控制，因此给数据的保密性、可用性、完整性以及路由的安全性等带来极大的挑战。  
**解决**：DTN安全模型由四部分组成：用户、 DTN路由器、DTN区域网关和DTN证书认证。当一个DTN用户希望通过DTN路由器发送数据时，它必须首先向路由器提供它标记过的公共密钥和标记过的信用。 路由器核实签名并将公共密钥和信用存储在缓存中，一旦路由器决定转发信息，它就用自己的私钥产生一个新签名，并附加在信息上进行传递。  
大多数网络的安全方法都试图去认证用户的身份和信息的完整性，而不认证转发信息的路由器。但在DTN中，转发节点(路由器或网关)也需要被认证。

## 容迟网络的发展趋势和应用前景 ##

**发展趋势：**

容迟网络是对传统Internet等网络体系结构的一个根本改变，而不仅仅是修补， 它采用了一系列不同于Internet的设计：Bundle代替分组，可靠安全的Hop-by-Hop 代替End-to-End，基于名称的路由代替基于地址的路由、部分连接的网络拓扑代替全连接的网络拓扑。因而容迟网络未来的一个发展趋势是作为一个异构的覆盖层网络，覆盖在Internet等多种网络和区域之上，并且能够更好地保持兼容性。

**应用前景：**  
容迟网络是一种不需要源节点和目标节点之间存在完整链路，利用节点移动带来的相遇机会实现通信的自组织网络。

**1.普适计算**。普适计算网络是以多种无线网络和移动网络接入互联网实现的异构集成网络。  
**2.社交容迟网络**。随着手持移动设备的普及和信息共享需求的深入发展，将极大推进容迟网络与社交网络理论融合的趋势，利用容迟网络研究提出的数据传输机制，结合社交网络中节点及节点间所具有的社会属性，使得在社交网络中实现低成本、高速率、大容量的信息交换和共享成为可能。  
**3.未来容迟网络还将为传感器网络、偏远地区网络传输、军事战争、航天通信、灾难应急等领域的信息交流提供有力的理论支持和技术保障。**

原文链接：https://blog.csdn.net/qq\_42708400/article/details/109114622