DTNv6实现和空间网络缓存机制的研究

发布时间：2020-06-06 15:02

【摘要】：空间通信环境高时延、高中断的网络特性使得在陆地上广为使用的TCP/IP体系毫无用武之地。目前,国际上主要采用延迟容忍网络(Delay Tolerant Network,DTN)来应对空间网络复杂的通信环境。延迟容忍网络是一种设计在复杂网络环境中进行有效通信的网络协议框架,为用户在具有长时延、高误码率、连接频繁中断等特征的异构网络中提供通信保证,满足复杂环境条件下建立互联互通网络的需求。现在主流的DTN实现方案是由美国国家航空航天局喷气推进实验室设计实现的ION(Interplanetary Overlay Network)软件。ION从软件层面上实现了 DTN协议框架,但是ION在编写时并未支持IPv6协议,同时存在着数据重复传输等问题,并未最大化利用空间网络中有限的链路资源。本文以国家863计划课题“未来一体化网络关键技术和示范”(NO.2015AA015702)为依托,对ION软件进行了升级优化,使其支持IPv4/IPv6双栈网络协议传输。同时,设计并实现了协议网关,使得在一体化网络上地面域与空间域数据能互联互通。在此基础上,本文对空间网络环境下缓存机制进行了相关研究。本文首先分析了 DTN网络体系结构,介绍了一些主要的汇聚适配层协议:LTP协议(Licklider Transmission Protocol)、TCPCL 协议(TCP Convergence-Layer Protocol)、UDPCL 协议(UDP Convergence-Layer Protocol)。然后分析了 ION 软件的整体架构,从ION源代码出发阐述了如何将ION进行优化后应用在IPv6场景中。基于一体化网络连接空间网络和地面网络的需求,设计了协议网关,转换空间域DTN数据包和地面域UDP数据包。接着针对修改后的ION软件,设计了一个简单的实验场景验证了几个主要的汇聚适配传输层协议报文的完整性;针对一体化网络传输,设计了一个空间域和地面域联合传输的实验场景验证ION以及协议网关的功能。随后,本文阐述了一些当前互联网络中几种比较常用的缓存替代算法,LRU算法、LFU算法、ARC算法。分析比较了它们的优劣。然后从成本角度分析了一个缓存替代算法的有效性。随后,针对空间网络环境的链路特点,基于ARC算法的一些思想提出了一个缓存替代算法,来更有效地利用空间网络的传输。在综合了ION和现有互联网缓存替代算法的基础上,本文设计了一个适用于空间卫星网络的缓存服务器。缓存服务器分为三个模块,数据传输模块基于前述IONv6设计,负责空间网络中基础数据的传输;业务处理模块采用针对多线程情况下优化的线程模型和内存管理模型,负责对文件请求的处理、转发和缓存;隧道转发模块基于Linux Tun/Tap设备设计,主要用于对前述两个模块中数据进行通信。最后,为了分析和验证空间网络缓存服务器的有效性,本文在基于未来一体化网络仿真平台上建立了以“全球星”卫星系统为基础的模拟场景,在该场景上对空间网络缓存服务器的性能进行了测试。实验证明,该空间网络缓存服务器相比于原有的ION数据传输有一定的性能优势。
【图文】：

产业收入

１．１研究背景及意义逡逑２１世纪以来，信息技术在政治、经济、文化等领域不断推陈出新，深刻影响逡逑着人们的生产与生活方式。在此背景下，卫星产业得到了长足地发展。如图１－１所逡逑示ｍ，２０１６年全球卫星产业收入达到了邋２６１０亿美元，，相比于１０年前翻了一倍有逡逑余。庞大的业务需求一方面极大地促进了卫星产业的发展，另一方面又对卫星产业逡逑的基础设施建设提出了更高的要求。原有的卫星系统功能单一化，处理性能有限，逡逑各个卫星无法构建有效的系统使得空间服务效率低下，造成了本不宽裕的空间资逡逑源的浪费。而在空间进行卫星组网，现有的ＴＣＰ／ＩＰ网络栈在空间网络长延时，高逡逑中断率的情况下的表现不佳，因此急需一种新的适用于空间网络环境数据传输的逡逑网络协议来改善空间网络中数据传输性能。逡逑３０００逡逑！＿邋［＾0邋］邋Ｓ邋Ｍ逡逑２５００逦２１0，邋＾邋ｋｉ邋ａ邋Ｈ逡逑运邋２０００邋：——逦ｉ邋｜邋Ｉ邋ｍｍ逡逑＿＿~|目逡逑ｑ邋—Ｈ逦ＭＵ逦ＨＨ逦逦ＨＨ．逦ＨＨ逦．．．．ＨＨ．．．．．．Ｈ．．．．．．．．．ＨＨ．．．．．逡逑２００７逦２（ＸＪ８逦２００９逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逦２０１６逡逑年份逡逑图１－１全球卫星产业收入逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｇｌｏｂａｌ邋Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ邋Ｉｎｄｕｓｔｒｙ邋Ｒｅｖｅｎｕｅｓ逡逑ＤＴＮ邋（Ｄｅｌａｙ－ＴｏｌｅｒａｎｔＮｅｗｏｒｋｉｎｇ）邋［２】起源于美国喷气推进实验室（ＪＰＬ）的空间逡逑网络项目并于２００３年被正式提出。随着ＤＴＮ网络架构不断地被发展完善

DTNv6实现和空间网络缓存机制的研究

图２－２邋ＤＴＮ协议传输与ＴＣＰ／ＩＰ协议传输对比逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.0

【参考文献】