CN112565075A - 一种基于dtn的一体化网络协议架构及路由方法 - Google Patents

一种基于dtn的一体化网络协议架构及路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DTN的一体化网络协议架构及路由方法，针对基于多种无线通信信道的设备，分为簇内和簇外，簇内采用MANET类型的路由，簇外采用DTN类型的路由，同时在协议层次划分上引入了数据束层和CLA层，其中，所述CLA层作为对底层网络的适配器或称汇聚层，对于不同的传输层协议，提供不同的适配层，即为不同的传输层定义了接口，保证了数据束层的一致性，同时CLA层负责通知上层网络协议，底层链路是否存在，从而决定是否发送数据包；所述数据束层中路由模块实现链路的可达性探测，当链路不存在时数据束层持久的存储并转发消息，当链路恢复或者路由通知下一跳可用时，转发消息。

Description

一种基于DTN的一体化网络协议架构及路由方法
技术领域
本发明涉及移动应急通信领域，具体涉及一种基于DTN的一体化网络协议架构及路由方法。
背景技术
近些年，无线通信技术得到了高速发展。蜂窝网络通信技术沿2G、3G、4G、5G等一路演进，速度越来越快，带宽越来越大，时延越来越小。WIFI作为一种小范围覆盖的无线通信技术，主要覆盖家庭、办公区等场所，主要是用来解决有线网络“最后一公里”延伸问题。卫星通信是一种高可靠的无线通信技术，可以有效应对地面上的各种灾害情况，是蜂窝网络等通信技术的有益补充。集群对讲是一种比较传统的通信方式，用于短距离的语音通信。
目前，基于蜂窝网络通信技术和WIFI的设备已经非常繁多，典型的比如手机。基于卫星通信技术的产品也可以见到一些，比如海事卫星电话、北斗导航定位终端、天通卫星电话。基于集群对讲的设备比如对讲机在多年前已经应用比较广泛。但还没有把5G、WIFI、天通卫星、北斗卫星、集群对讲等多种通信技术有机整合在一起的设备出现，更没有适应此类设备的路由方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DTN的一体化网络协议架构及路由方法，以解决复杂应急场景中单一通信方式存在的网络信号不稳定、通信不畅，甚至存在通信盲区的问题，本发明可以提高应急指挥工作的快速化和通信可靠性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于DTN的一体化网络协议架构，针对基于多种无线通信信道的设备，所述基于多种无线通信信道的设备采用5G、WIFI、天通卫星、北斗卫星和集群对讲五种方式进行通信，同时通过物联网通信方式连接前端的物联网设备，并通过5G、天通卫星和北斗卫星三种方式连接后端的服务器；
根据以上五种通信方式的距离长短，划分为簇内和簇外，簇内采用MANET类型的路由，簇外采用DTN类型的路由，同时在协议层次划分上引入了数据束层和CLA层，其中，所述CLA层作为对底层网络的适配器或称汇聚层，对于不同的传输层协议，提供不同的适配层，即为不同的传输层定义了接口，保证了数据束层的一致性，同时CLA层负责通知上层网络协议，底层链路是否存在，从而决定是否发送数据包；所述数据束层中路由模块实现链路的可达性探测，当链路不存在时数据束层持久的存储并转发消息，当链路恢复或者路由通知下一跳可用时，转发消息。
进一步地，所述数据束层中传输过程具体为：源节点当有数据需要发送时，首先向中间节点发送保管请求，当中间节点接收保管请求后对数据包进行保管，保管有数据包的中间节点与目的节点在通讯覆盖内时，将数据包转发给目的节点。
进一步地，所述源节点和目的节点之间采用多副本的泛洪路由作为通信链路。
进一步地，所述CLA层需与底层协议互相配合，具体以DTN节点为网络基本组成单位，由DTN节点组成子网，在子网的边沿通过DTN网关实现异构子网之间的协议转换和互连互通，子网内部采用不同的MAC层接入协议，即在网络内部节点采用配置Bundle层协议的DTN节点，在网络边沿连接部分采用DTN网关，网关同时配置两套协议体系，完成协议的转换。
一种基于DTN的一体化网络协议架构的路由方法，网络中的节点运行不同的协议层结构，其中DTN网关实现全部DTN协议层流程，普通节点只实现IP层及以下层协议流程；数据包在流转过程中，根据其是在子网内部流动还是在子网之间流动具有不同的路由方案：在每个子网的边沿，数据包通过DTN网关传输时采取DTN路由，而在子网内部，采用IP路由。
进一步地，路由协议工作流程包括：基于MAC层的邻居发现、路由表的维护、路由决策过程及路由反馈过程。
进一步地，基于MAC层的邻居发现利用MAC层的beacon信号收发流程来实现，MAC层有两个独立的与路由相关的进程：第一、节点周期性广播beacon帧；第二、通过定时发送广播信息来进行路由探测，获得通信范围内的节点信息。
进一步地，路由表的维护分为主动和被动两个过程；主动维护路由表根据路由生命周期时间限制，当生命周期耗尽时删除该路由；被动维护路由表根据收到的路由广播报文来更改路由表中对应的表项，并重新设置生命周期。
进一步地，路由决策过程具体为：当前节点一旦收到下一跳节点的收条，首先保存该收条，然后删除收条对应的自身保管的Bundle包，并将该收条以EPI方式传输给相邻节点；子网内传输的Bundle包，除非通过邻居发现流程探测到目标节点或目标节点所在的子网，将一直在子网内保管Bundle包，而不再将该Bundle包传递到其他的节点。
进一步地，路由反馈过程具体为：目的节点收到数据报文以后，接收数据包的目的节点对其所有邻居泛洪收条；子网的DTN网关收到收条后删除本地副本。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用分簇架构，优先使用簇内的短距离通信方式，为设备节省了能量，为用户节省了费用；采用“存储-运载-转发”方式，在链路中断时因为不丢数据而保证了系统的正常运行；采用多副本的泛洪路由，当链路拓扑变化时可以及时进行通信，解决了复杂应急场景中单一通信方式存在的网络信号不稳定、通信不畅，甚至存在通信盲区的问题，可以提高应急指挥工作的快速化和通信可靠性。
附图说明
图1为系统结构图；
图2为不同域之间的转发协议图；
图3为不同域之间的消息保管传输图；
图4为EPI路由图；
图5为传染方式的消息传输图(a、b为不同时刻的拓扑)，其中(a)为t1时刻的拓扑，(b)为t2时刻的拓扑，且t2＞t1；
图6为路由流程图；
图7为周期性广播帧的流程图；
图8为信息出发流程图；
图9为路由维护流程图，其中(a)为主动维护过程，(b)为被动维护过程；
图10为路由决策流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明用于解决复杂应急场景中单一通信方式存在的网络信号不稳定、通信不畅，甚至存在通信盲区的问题，提高应急指挥工作的快速化和通信可靠性。
如图1，一种基于5G、WIFI、天通卫星、北斗卫星、集群对讲等多网合域(或五网合域)的终端，基于多种无线通信信道的设备可利用上述多种方式进行通信，同时连接更前端的物联网设备，也可和后端的服务器使用5G、天通卫星、北斗卫星上述多种方式进行通信。
共有三种格式的数据在这些模块中传输，短信信息，实时语音信息，数据信息，各个通信方式支持传输的数据格式如表1所示。
表1各个通信方式支持传输的数据格式
Figure BDA0002809209490000051
需要注意的是，上表所述的数据信息，包含语音信息，但不支持实时语音信息传输。但本设备会打通不同数据格式，比如把语音转换成用数据并经由IP电话进行传输。在系统层面来看，都是数据。管理信息也使用数据通信进行传输，所以数据通信，是本设备的核心通信方式。以下体系设计，都面向的是无差别的数据。
以上几种通信方式可以从距离上进行划分。WIFI和集群对讲，是短距离通信方式，而天通、北斗、5g，是长距离通信方式。
针对应急通信中的节点分散、通信断续、网络拓扑变化等特定环境，本文首先设计了基于DTN(Delay-tolerant networking)的一体化网络协议架构，然后提出了适用于多层次网络的路由方法。
一.基于DTN的网络协议体系设计
一种分簇的路由方法，分为簇内和簇外。根据短距离通信方式的探测结果和地理位置等信息，确定簇的划分。簇内采用MANET(Mobile Ad hoc network)类型的路由，簇外采用DTN(Delay-tolerant networking)类型的路由。
为了适应这种机制，在协议层次划分上引入了数据束层和CLA层。
关于协议体系的兼容性：
为了保障对各个网络域的协议支持，采用了DTN中的“覆盖技术”，用数据束层的基于存储保管的路由转发功能。这种做法类似于OSI参考模型中的网络层，提供了一种屏蔽底层网络，实现透明传输的功能，底层网络对于数据束层提供服务，在具有同一网络协议的域内采用原有的网络协议体系保证消息的可靠转发，域间则利用数据束层的保管功能来确保逐跳的安全机制。消息的域间转发如图2所示。
消息在子网域之间传输时，是通过数据束层来进行路由，提供统一编址和下
一跳的选择。其中CLA层作为对底层网络的适配器或称汇聚层，对于不同的传输层协议，提供不同的适配层，相当于为不同的传输层定义了接口，保证了数据束层的一致性。同时CLA层负责通知上层网络协议，底层链路是否存在，从而决定是否发送数据包。
为了适应网络的间歇性中断特性，协议体系架构中利用数据束层的持久存储功能来解决这一难题。在数据束层实现了“存储-运载-转发”技术。由数据束层中路由模块实现链路的可达性探测，当链路不存在时数据束层持久的存储并转发消息，当链路恢复或者路由通知下一跳可用时，转发消息。
二.容断、容延迟
为了适应空网络的间歇性中断和大延迟的特性，协议体系架构中利用数据束层的持久存储功能来解决这一难题。在数据束层实现了“存储-运载-转发”技术。由数据束层中路由模块实现链路的可达性探测，当链路不存在时数据束层持久的存储并转发消息，当链路恢复或者路由通知下一跳可用时，转发消息，网络中消息的保管传输过程如图3所示。
源端当有数据需要发送时，首先向中间节点发送保管请求，当中间节点接收保管请求后对数据包进行保管，保管有数据包的中间节点与目的节点在通讯覆盖内时，将数据包转发给目的。
三.路由策略
不同网络层次中节点运动模式互不相同。由于簇间节点之间很难形成固定的拓扑结构，源节点和目的节点之间可能自始至终都没有一条可通信链路。为了利用各层次网络不同的特点，提高路由的性能，我们采用多副本的泛洪路由(Epidemic Routing,EPI)。
四.异构网络互联方式
传输汇聚层(CLA)需要与底层协议互相配合，本发明设计了在空网络场景中的拓扑结构和互连方式。以DTN节点为网络基本组成单位，由DTN节点组成子网，在子网的边沿通过DTN网关实现异构子网之间的协议转换和互连互通。
由于采用DTN技术实现互联，因此网络中的信息流在连接通畅的子网内部和大延迟、高中断率的子网间传输具有不同的处理流程。子网内部可以采用不同的MAC层接入协议，如一个子网采用集群通信，另一个子网采用WIFI通信，内部节点之间及与其网关之间采用内部通信协议；子网边沿为DTN网关节点，完成子网间互联。
采用前述的Bundle Over IP协议体系结构以后，可以按照如下所示的协议层次示意图完成互联时协议的转换，在网络内部节点采用配置了Bundle层协议的DTN节点，在网络边沿连接部分采用DTN网关，网关同时配置两套协议体系，完成协议的转换。
下面详述路由方法：
一.路由方案设计
传染病路由算法(EPI)是一种多副本路由算法，正是因为EPI算法的数据传输类似于传染病模型，每个节点都维护一个本节点所存储信息的信息索引，当两个节点接触时，通过相互交换索引并比较索引来发送信息。EPI算法的流程如图所示，节点A,B维护的索引向量分别为aSV,bSV。节点A,B相遇后，节点A首先向B发送索引aSV，节点B收到索引后进行比对，通过比较aSV，bSV形成发往A请求索引Request，然后A节点应答B节点返回相应的Package。消息的传输过程如图4所示。
如图5，t1时刻源节点S将消息传递给它的两个直接邻居C1和C2，t2时刻C2与C3相遇，将消息传递给C3，C3与目的D接触，将消息转发给D。采用多副本路由的方式，利用了节点数目较多，但运动轨迹不固定的节点特性，降低了消息传播时延。
本发明的应用场景主要发生在子网内节点和其他子网内节点之间，子网内部具有较好连通性，而子网之间则不保证随时具有连通性。因此，整个路由既有DTN路由，又有非DTN路由。我们考虑在子网内部采用IP路由(非DTN路由)，而子网之间采用DTN路由。整个系统采用基于数据束层的覆盖网络结构，即数据束层在传输层与网络层之上。因此，整个系统的路由流程可以用图6来描述。
网络中的节点将运行不同的协议层结构，其中DTN网关实现全部DTN协议层流程，普通节点只实现IP层及以下层协议流程。数据包在流转过程中，根据其是在子网内部流动还是在子网之间流动将具有不同的路由方案。在每个子网的边沿，数据包通过DTN网关传输时采取DTN路由(束层路由)，而在子网内部，采用IP路由。
可以举例说明系统的路由选择流程：假定一个节点A要通过簇间通信传送信息到另一个节点B。源节点的应用层数据包首先到达本节点的数据束层，由于当前没有连接可用，也无法确定目的节点B的IP地址，因此其将在数据束层等待可用连接，并由数据束层路由模块决定其DTN束层路由的下一跳。当有可用连接时，数据束层将执行数据包的转发流程。当Bundle包经过本地IP层向下层流动时，由于没有目的节点的IP地址，IP层路由模块不执行路由选路；当Bundle数据包到达下一跳节点，Bundle数据包将直接传输到该节点(作为网关)的Bundle层，由该层DTN路由模块执行DTN的选路；当该节点处于一个连通性较好的子网内时，该Bundle层将赋予其IP包目的地址，该目的地址将设为本子网内其他具有数据包保管功能的DTN节点(边沿网关)。这样，在子网内部传输时，可以只进行IP层路由寻址，不必进入到Bundle层处理；当数据包到达边沿的DTN网关时，网关收到目的地址为本地地址的IP包后，将会把该数据包传输给上层Bundle层处理，而该层则将对比该包的束层地址与本地EID地址，发现不是本地地址后，将通过DTN路由模块寻找该数据包的下一跳DTN地址和路径。从上述数据流转过程可见，子网内将包含两类节点，一类是运行DTN协议体系中数据束层及其以下层全部协议的网关节点，一类只运行IP层及其以下各层协议的普通节点。在本项目中，为叙述简单，采用在子网内部设立固定网关节点的方式，即指定部分节点充当子网的DTN网关或称为簇首。
对于子网内部，虽然节点仍然随机运动，但可以随时保证节点之间的连通性，因此可以采用自组织网络路由协议，可以采用OLSR路由协议。
二.路由报文帧格式
路由报文格式如表2所示，路由报文格式说明如表3所示。
表2路由报文格式
Figure BDA0002809209490000091
表3路由报文格式说明
Figure BDA0002809209490000092
三.路由协议基本工作流程
1.基于MAC层的邻居发现
将利用MAC层的beacon信号收发流程来实现。MAC层有两个独立的与路由相关的进程。节点周期性广播beacon帧如图7所示。
信息触发流程如图8所示，通过定时发送广播信息来进行路由探测，获得通信范围内的节点信息，为网络拓扑的建立提供条件。本设计中每隔固定时间进行一次路由探测报文的广播。
2.路由表的维护
Node_neighbour_id 邻居节点ID
Service 记录是否有该节点的待发业务
Life_time 路由表项的生命周期(设为10个计数单位)
Port_reach 可达端口
路由表的维护分为主动和被动两个过程。主动维护路由表根据路由生命周期时间限制，当生命周期耗尽时删除该路由。被动的维护路由表则需要根据收到的路由广播报文来更改路由表中对应的表项，并重新设置生命周期。路由维护过程如图9所示。
3.路由决策过程
当前节点一旦收到下一跳节点的收条，不管该收条来自哪种类型的节点(其他簇或者本簇)，则首先保存该收条，然后删除收条对应的自身保管的Bundle包，并将该收条以EPI方式传输给相邻节点。子网内传输的Bundle包，除非通过邻居发现流程探测到目标节点或目标节点所在的子网，将一直在子网内保管Bundle包，而不再将该Bundle包传递到其他的节点。具体的决策过程如图10所示。
4.路由反馈过程
目的节点收到数据报文以后，接收数据包的目的节点则需要对其所有邻居泛洪收条。子网的DTN网关收到收条后删除本地副本。

Claims (10)

1.一种基于DTN的一体化网络协议架构，其特征在于，针对基于多种无线通信信道的设备，所述基于多种无线通信信道的设备采用5G、WIFI、天通卫星、北斗卫星和集群对讲五种方式进行通信，同时通过物联网通信方式连接前端的物联网设备，并通过5G、天通卫星和北斗卫星三种方式连接后端的服务器；
根据以上五种通信方式的距离长短，划分为簇内和簇外，簇内采用MANET类型的路由，簇外采用DTN类型的路由，同时在协议层次划分上引入了数据束层和CLA层，其中，所述CLA层作为对底层网络的适配器或称汇聚层，对于不同的传输层协议，提供不同的适配层，即为不同的传输层定义了接口，保证了数据束层的一致性，同时CLA层负责通知上层网络协议，底层链路是否存在，从而决定是否发送数据包；所述数据束层中路由模块实现链路的可达性探测，当链路不存在时数据束层持久的存储并转发消息，当链路恢复或者路由通知下一跳可用时，转发消息。
2.根据权利要求1所述的一种基于DTN的一体化网络协议架构，其特征在于，所述数据束层中传输过程具体为：源节点当有数据需要发送时，首先向中间节点发送保管请求，当中间节点接收保管请求后对数据包进行保管，保管有数据包的中间节点与目的节点在通讯覆盖内时，将数据包转发给目的节点。
3.根据权利要求2所述的一种基于DTN的一体化网络协议架构，其特征在于，所述源节点和目的节点之间采用多副本的泛洪路由作为通信链路。
4.根据权利要求1所述的一种基于DTN的一体化网络协议架构，其特征在于，所述CLA层需与底层协议互相配合，具体以DTN节点为网络基本组成单位，由DTN节点组成子网，在子网的边沿通过DTN网关实现异构子网之间的协议转换和互连互通，子网内部采用不同的MAC层接入协议，即在网络内部节点采用配置Bundle层协议的DTN节点，在网络边沿连接部分采用DTN网关，网关同时配置两套协议体系，完成协议的转换。
5.一种权利要求1所述的基于DTN的一体化网络协议架构的路由方法，其特征在于，网络中的节点运行不同的协议层结构，其中DTN网关实现全部DTN协议层流程，普通节点只实现IP层及以下层协议流程；数据包在流转过程中，根据其是在子网内部流动还是在子网之间流动具有不同的路由方案：在每个子网的边沿，数据包通过DTN网关传输时采取DTN路由，而在子网内部，采用IP路由。
6.根据权利要求5所述的一种基于DTN的一体化网络协议架构的路由方法，其特征在于，路由协议工作流程包括：基于MAC层的邻居发现、路由表的维护、路由决策过程及路由反馈过程。
7.根据权利要求6所述的一种基于DTN的一体化网络协议架构的路由方法，其特征在于，基于MAC层的邻居发现利用MAC层的beacon信号收发流程来实现，MAC层有两个独立的与路由相关的进程：第一、节点周期性广播beacon帧；第二、通过定时发送广播信息来进行路由探测，获得通信范围内的节点信息。
8.根据权利要求6所述的一种基于DTN的一体化网络协议架构的路由方法，其特征在于，路由表的维护分为主动和被动两个过程；主动维护路由表根据路由生命周期时间限制，当生命周期耗尽时删除该路由；被动维护路由表根据收到的路由广播报文来更改路由表中对应的表项，并重新设置生命周期。
9.根据权利要求6所述的一种基于DTN的一体化网络协议架构的路由方法，其特征在于，路由决策过程具体为：当前节点一旦收到下一跳节点的收条，首先保存该收条，然后删除收条对应的自身保管的Bundle包，并将该收条以EPI方式传输给相邻节点；子网内传输的Bundle包，除非通过邻居发现流程探测到目标节点或目标节点所在的子网，将一直在子网内保管Bundle包，而不再将该Bundle包传递到其他的节点。
10.根据权利要求6所述的一种基于DTN的一体化网络协议架构的路由方法，其特征在于，路由反馈过程具体为：目的节点收到数据报文以后，接收数据包的目的节点对其所有邻居泛洪收条；子网的DTN网关收到收条后删除本地副本。
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