延迟容忍网络

1延迟/中断容忍网络1．概述[1]到目前为止，我们接触到的网络（无论是有线网络还是无线网络）都基于以下假设：在通信持续的时间里数据源和目的之间存在端到端路径；节点之间的最大往返时间不会太长，丢包率较小。然而，实际中还存在一类不满足以上假设的网络，如深空网络（延迟很长）、卫星网络（周期性连接）、稀疏移动自组网（经常中断）等，已有的网络架构及协议均不适用于这类网络。这一类网络称为挑战性网络（challengednetworks）。1998年，NASA开始了深空网络（也称星际网络，interplanetaryInternet，IPN）的研究，其基本想法是让地球和距离很远的太空船之间的数据通信能够简化到像发生在地球上的两个节点之间一样。该组人员后来发展成为Internet的IPNSIG工作组。但是IPNSIG遇到的一个问题是目前还没有这样一个星际网络可以进行试验，于是一部分人开始研究如何将IPN的概念运用到陆地应用中。为此，IETF成立了新的工作组寻找更通用的延迟容忍网络，这个工作组称为DTNRG，是现在DTN体系结构和协议研究的主要公开组织。2004年初，DARPA提出了中断容忍网络（disruption-tolerantnetworking），也简称为DTN，可以看作同一概念下的另一种叙述。D在DTN中表示“中断”还是“延迟”现在还不十分明确，但是在很多时候希望同一个体系结构或者协议能够同时支持这两种情况。DTN网络具有与传统网络非常不同的特点：（1）长延时。比如，地球与火星距离最近时光传播需要4分钟，距离最远时光传播超过20分钟，而在Internet中传播时间一般按毫秒计算。如此长的延时，很多应用尤其是基于TCP/IP的应用是无法实现的。（2）节点资源有限。DTN网络常常分布于深空、水下、战场等环境中，节点受体积和重量的限制，电源及其它资源非常有限，这一点与移动自组网类似。（3）间歇性连接。造成DTN网络间歇性连接的原因有很多，如当前没有连接两个节点的端到端路径，节点运动超出通信范围，节点为节能暂时关闭电源等。网络中断可以有一定规律，如卫星网络；也可以是随机的，如稀疏移动自组网。（4）不对称数据速率。在DTN网络中，数据传输的双向速率经常是不对称的。在完成空间任务时，双向数据速率比可以达到1000:1甚至更高。（5）低信噪比和高误码率。DTN网络中，环境导致的低信噪比引起信道中的高误码率。一般的光通信系统中误码率只有10-15~10-12，而在深空通信中，误码率甚至可以达到10-1，极大地影响接收端对传输信号的解码和恢复。众多文献中提到DTN网络时，往往通过以上几点对DTN网络和现有的TCP/IP网络进行比较，通过分析认为现有的TCP/IP协议难以支持DTN网络中的上层应用，需要开发新型的网络协议。2.DTN体系结构[2]已有的基于TCP/IP协议的因特网服务模型，通过由不同链路层技术形成的级联链路来提供端到端的进程间通信。IP协议的标准化以及IP包在每一个路由器上被映射到网络特定的链路层数据帧，使得因特网服务模型支持基于分组交换的互操作。尽管没有显式说明，但2因特网服务模型对于底层链路的整体性能特性是有许多重要假设的，包括数据源和目的之间存在端到端路径、任何一对节点之间的最大往返时间不会太长、端到端丢包率较小等。但正在出现的一类挑战性网络违背了以上一条或几条假设，使得当前的端到端TCP/IP模型不能很好地服务于这类网络。这类网络的例子有：陆地移动网络。有些陆地移动网络由于节点移动或信号强度变化（如干扰、障碍物遮挡等）可能发生不可预期的分割，另一些可能发生周期性的、可预期的分割。例如，一辆通勤车可以作为一个具有有限范围通信能力的存储转发消息交换机，当它从一个地方移动到另一个地方时，它可以向通信范围内的客户提供与所途经的实体的消息交换服务。异种媒体网络。异种通信媒体包括近地卫星通信、非常长距离的无线电或光纤链路（如光传播延迟在秒级或分钟组的深空通信）、空中或水中的声波链路、和一些自由空间的光通信。这些系统可能遭遇由可预期中断引起的长延迟（如行星间运动或预定飞船的经过），由环境条件（如天气）引起的断电，或者提供一种可预期的间断性存储转发服务（如低轨道卫星每天周期性地通过头顶）。军用自组织网络。这类系统可能工作于不利的环境，节点移动、环境因素或故意干扰都可以引起断连。另外，网络中的数据流量可能要和较高优先级的业务竞争带宽。比如，当高优先级的声音数据正在传输时，其它数据可能必须意外地等待几秒钟甚至更长时间。这些系统也可能有特别强烈的保护通信设施的要求。传感器/激励器网络。这类网络的显著特点是节点的电量、内存和CPU能力极其有限，而且节点规模可能非常大（数千或数百万节点），网内的通信通常按计划调度以保存能量，典型地使用“代理”节点将IP协议转换成传感器网络的本地协议。由于已经有了大量的经验以及与TCP/IP协议兼容的大量系统，将高度成功的因特网结构概念应用到这些新的、不同寻常的网络中是很自然的想法。但是，极大的链路延迟、不存在端到端路径、节点缺乏连续的电源供应或大内存给这类方法在操作上和性能上带来了很大的挑战。在有些情况下，当要求带宽效率时，极大的带宽-延迟乘积也会带来困难。使Internet适应不同寻常的环境通常有两类方法。第一类方法是试图将问题链路设计得看上去像适合TCP/IP的链路类型，这类方法称为链路修补方法。这类方法实际上是“愚弄”IP协议，使之相信正运行在一个表现相对良好的物理设施上。它们努力维护端到端可靠性和因特网的命运共享（fate-sharing）模型（状态只保留在端节点上），并且一般要求所有的参与系统均运行IP。另一种常见的方法是只将挑战性网络通过一个特殊的代理连接到因特网的边缘，它提供了通过因特网访问挑战性网络的方法，但不提供将该网络用于数据运输（datatransit）的一般方法。如果不支持数据运输，则网络的全部能力就没有实现。事实上，支持数据运输通常更有意义，因为出于经济方面的考虑，远程部署的常规网络（如内联网）可能只能通过这类挑战性的中间网络进行访问。(Fate-sharingisanengineeringdesignphilosophywhererelatedpartsofasystemareyokedtogether,sothattheyeitherfailtogetherornotatall.Fate-sharingisanexampleoftheend-to-endprinciple.Thetermfate-sharingwasdefinedbyDavidD.Clarkinhis1988paperTheDesignPhilosophyoftheDARPAInternetProtocolsasfollows:Thefate-sharingmodelsuggeststhatitisacceptabletolosethestateinformationassociatedwithanentityif,atthesametime,theentityitselfislost.Specifically,informationabouttransportlevelsynchronizationisstoredinthehostwhichisattachedtothenetandusingitscommunicationservice.Agoodexampleoffate-sharingisthetransmissionofroutingmessagesinroutingprotocolssuchasBGP,wherethefailureofanlinkorlinkinterfaceautomaticallyhastheeffectof3terminatingroutingannouncementsthroughthatinterface,ultimatelyresultinginthetearingdownofthestateforthatrouteateachendofthelink.SimilarconsiderationsapplytoTCP.)2.1影响挑战性网络体系结构的因素挑战性网络是用长延迟、低带宽、高误码率、节点短寿命或路径不稳定性等来定性描述的，挑战性网络中的这些值均比今天因特网中的典型值差很多。本节研究路径特性、网络结构和节点资源是如何影响挑战性网络体系结构的设计的。（1）路径和链路特性高延迟、低速率。如果暂不考虑处理延迟和排队延迟，链路的传输延迟和传播延迟直接受到底层传输媒体的影响。对于某些挑战性网络来说，数据传输率相当小（如水下声波调制解调器和传感器节点中的低功率无线收发器只有约10kbps）而延迟相当大（如1~2秒）。数据速率可能非常不对称，如远程设备可能有相当高速的下行链路用于传输遥测数据，而只有非常低速的上行链路用于设备控制。在某些极端情况下，可能根本没有返回信道，比如与某些军事设备（如潜艇）的通信要求秘密进行。断连。在许多挑战性网络中，端到端之间断开连接比存在连接更为常见。一般来说，断连可以分为有故障的和无故障的两类。前者已经在常规网络中得到了广泛研究，在此不作深入研究。非故障性断连在无线环境中出现最为频繁，主要有两大来源：节点移动和低占空比（low-duty-cycle）的系统操作。由节点移动引起的断连可能是高度可预测的（如卫星经过、充当数据路由器的公共汽车等），也可能是机会的（如由于随机移动进入通信范围的节点）；可能由端节点、路由器的移动引起，也可能由遮挡通信的其它物体或信号的移动引起。由低值守操作引起的断连通常发生在低能力设备（如传感器节点）之间，并且经常是可预测的，但要求立即处理的异常事件可能会意外地干扰周期性的低占空比操作。长排队延迟。对于统计复用的常规分组网络中的多跳路径，排队时间通常主导了传输延迟和传播延迟。排队时间很少超过1秒（典型情况比这小很多），如果下一跳邻居在当前时刻不可达，路由器会丢弃数据包。与之相反，经常出现断连的网络其排队时间可能非常大（几小时甚至几天），而且由于有限的传输机会，由源节点启动重传的代价可能非常高。也就是说，消息可能需要在路由器中保存很长的时间。（2）网络结构互操作考虑。在大多数挑战性网络中，网络体系结构主要由链路和媒体访问控制协议组成，设计时并没有考虑大规模互操作的要求。这是因为在许多情况下，链路上的通信还没有解决好，因而在一个互联网络中使用这种链路的愿望还没有成为主要的关注焦点。这些网络一般相当简单，范围上局限于本地，甚至可能无法提供支持分层协议栈的最基本抽象。当需要部署到内存和能量有限的设备上，实现经常要做一些简化，将来自不同系统功能模块的数据合并到一个消息中，很难分离出来。这些系统常常不能实现可靠性、拥塞控制和安全性。安全。在通信链路经常超载的挑战性网络中，链路容量是一种宝贵的资源，使用数据转发服务应当受到认证和访问控制机制的保护，至少要在网络的一些关键点上保护。在这种情况下，只包括端节点的安全方法不太有吸引力，原因在于两个方面。一是端到端方法典型地要求交换一些密钥或质询（challenge），对于高延迟和易断开的网络来说是不合适的。其次，在执行认证和访问控制检查之前，将不想要的流量一直送到目的节点也是不希望的。（3）端系统特性有限的寿命。在有些挑战性网络中，端节点被放置于不利的环境中，如传感器网络、军用网络和由紧急救援人员使用的设备组成的网络。在这种情况下，节点由于环境损坏、电源耗尽等可能无法维持很长时间。这样的网络如果长时间处于断连，一个特定消息的往返时间4甚至单程时间完全有可能超过发送节点的寿命。这时常规的端到端确认方案是没有用的，而应当将可靠投递的责任委托给其它实体，任何投递成功或不成功的通知消息需要被传送给可用的代理人。低占空比操作。当节点部署在缺乏供电设施的区域时，节点的通信模式常常预先规划好。在某些情况下（如由电池供电的传感器节点），为使网络具有合理的寿命，希望实现低于1%的占空比。这些节点典型地