延迟中断容忍网络

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（challenged networks）。

1998年，NASA开始了深空网络（也称星际网络，interplanetary Internet，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-tolerant networking），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

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（data transit）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-sharing is an engineering design philosophy where related parts of a system are yoked together, so that they either fail together or not at all. Fate-sharing is an example of the end-to-end principle. The term "fate-sharing" was defined by David D. Clark in his 1988 paper "The Design Philosophy of the DARPA Internet Protocols" as follows:

The fate-sharing model suggests that it is acceptable to lose the state information associated with an entity if, at the same time, the entity itself is lost. Specifically, information about transport level synchronization is stored in the host which is attached to the net and using its communication service.

A good example of fate-sharing is the transmission of routing messages in routing protocols such as BGP, where the failure of an link or link interface automatically has the effect of