论文总字数：27454字

摘 要

延迟容忍网络（Delay Tolerant Networks, DTN）起源于星际通信网络，在大部分的时间里没有从来源到目的地的端到端路径。由于节点通信移动、无线传输效果、节点稀疏密度不同以及其他不利因素的影响，对于这个网络，传统的基于TCP/IP的端到端网络通讯协议变得不再适合。因此，一个新的基于Bundle的DTN网络协议就被提出以解决通讯源和目的地之间在缺乏端到端路径时的通信问题。Bundle层通过持久存贮技术来克服复杂网络环境中由于网络中断形成一个网络覆盖层而造成速度不稳定和掉线的现象，实现对网络高延时和间歇连接的容忍。

Bundle层协议是DTN体系结构的重要组成，而路由机制则是Bundle的核心延伸。为了提高消息传递效率，不同的旨在减少流行路由开销、提升系统机能的路由方案已经被提出，例如Epidemic, spray and wait和Max-Prop等。通常它们试图实现以相对较短的传播延迟和较低的成本来实现短消息的可靠交付。总的来说，会在消息传播延迟和交付成本之间进行权衡，交付延迟越短，交付成本就越高，反之亦然。因此，至关重要的是如何通过仿真的方法来准确地评估这些路由方案以表明他们客观的优点和缺点。

本论文基于ONE实现一个DTN网络协议仿真平台。对于不同的流行路由算法进行仿真测试并产生详细的分析报告。

关键词：DTN 路由机制 仿真 ONE

The simulation analysis of DTN network protocol

Abstract

Delay tolerant network, referred to as DTN, is derived from the interstellar communication network .In a DTN, most of the time there are no end-to-end paths from communication sources to destinations due to node mobility, wireless propagation effects, sparse node density, and other adverse factors. For this kind of network, the traditional end-to-end network communication based on TCP/IP protocol becomes no longer fit. Therefore, A new network protocol called DTN, which based on the Bundle is put forward to solve the problem in the absence of the end-to-end path of communication problems between the source and destination. Bundle layer has overcame the complex network environment due to network interruption form a network layer with persistent storage technology, which leds to the instability speed and the phenomenon of drops. It can tolerate high-delay network and intermittent connection.

Bundle layer protocol is an important composition of DTN architectures, and routing mechanism is the core of the Bundle. In order to improve message delivery probability and system performance, a variety of Router schemes have been proposed, such as Epidemic, spray and wait, and Max-Prop, which aim to reduce the overhead of epidemic Router. Furthermore, some of these Router schemes claim to obtain optimal system performance, and typically they attempt to achieve short message delivery delay with relatively low transmission cost. However, there is a trade-off between message delivery delay and delivery cost. Generally speaking, shorter delivery delay is obtained at the expense of higher cost, and vice versa. Therefore, it is essential to accurately evaluate the Router schemes to indicate the advantages and disadvantages of their objective by the method of simulation

In this paper, I make a DTN network protocol simulation platform come true, which based on DTN. It can emulate different popular routing algorithms and generate analysis reports.

Keywords: DTN ;Router Mechanism ;Simulation ;ONE

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 DTN国内外研究现状 1

1.2.1美国宇航局ESA项目 1

1.2.2德国EMMA项目 2

1.2.3加拿大Kiosk Net项目 2

1.2.4国内研究现状 2

1.3 本论文的研究内容 3

1.3.1 DTN经典网络传输协议的介绍与分析 3

1.3.2 DTN无线网络仿真平台的选择 3

第二章 DTN网络协议架构 5

2.1 DTN网络协议栈简介 5

2.2 Bundle协议层简介 6

2.2.1 Bundle协议层主要功能 6

2.2.2 Bundle层服务 8

2.2.3 Bundle层数据格式的基本构造 8

2.3 DTN经典路由算法简介 10

2.3.1 Single-copy类 10

2.3.2 Unlimited-copy类 11

2.3.3 基于估计的类 12

2.4 本章小结 13

第三章 THE ONE仿真器简介 14

3.1 ONE的基本框架描述 14

3.2 移动模型 16

3.3 路由模型 18

3.4 本章小结 19

第四章 仿真分析 20

4.1 仿真环境搭建 20

4.2 ONE的参数配置 21

4.3 仿真结果 22

4.4 本章小结 25

第五章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 对未来DTN方面可进行的工作进行展望 26

参考文献 28

致谢 30

附录一：Spray-and-Wait路由协议代码部分 31

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

延迟容忍网络（Delay tolerant network, DTN）最早于2003年由Kevin Fall提出，自因特网研究任务组(Internet Research Task Force, IRTF）在星际网络研究组的基础上成立延时容忍网络研究组（Delay-Tolerant Networks Research Group, DTNRG）以来，对于DTN方向的研究工作就进展得十分迅速^[1]。Kevin Fall于2007年完善了关于DTN网络体系结构及Bundle层协议的理论。随后，DTN的应用前景也越来越清晰，在深空通信、保密军事、民用探测、传感监控等领域都有应用^[2]。

2007年以后DTN网络研究工作进一步深入，DTN网络在小规模实用化方面有了实质性的突破。除了早期空间方面的星际网络^[3][4]（Inter Planetary Network, IPN）和美国国防部下属的高级研究计划局（The Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）提出的军事上面的应用之外，研究人员还试图将DTN技术用于诸如支持和完善偏远地区的网络接入，湖泊江河淡水资源的监测，外来入侵生物的监控等形形色色的应用项目。值得我们注意的是这些项目与传统的Internet有很大的区别，而且它们相互之间也是互不关联的。那么将这些形式迥异的网络，纳入同一个框架之下正是DTN设计的目的和挑战所在。未来DTN网络研究会更加成熟，其应用范围进一步拓宽，涉及到生活的方方面面，最终与我们的生活紧密相关。

1.2 DTN国内外研究现状

DTN网络目前在国际上是一个研究热点。许多国家和组织都开展了一些试验性的研究项目。以下介绍几个目前国内外与DTN网络技术研究相关的几个成熟项目。

1.2.1美国宇航局ESA项目

此项目是美国宇航局开发的一种深空通信网络，用于测试地球与另一个行星（如火星）上的机器人之间实现互联网般的相互联系的可行性。具体操作的时候，它借助国际空间站使用DTN技术实现从地球轨道上向地面机器人发送指令并测试其接收指令和传回图像、数据等任务的可行性。这种技术希望有朝一日能够被用于宇航员在火星轨道上面与火星地面之间的通讯联系，或者在地球上使用中继卫星直接进行操作。美国的研究小组在深空通信上面的成果可以说是最早也是最出色的。

1.2.2德国EMMA项目

德国的EMMA项目是一个城市环境状况监控项目，旨在开发一个成本低廉的空气污染测量系统，该系统是由DTN网络和城市公交系统复合而成的复杂体系。由于公交车分布在城市的各个区域，在车子移动的过程中，车上的车载传感器会不停地感知周围的环境状况，生成污染物的数据，以DTN网络为数据传输的平台和手段，将其采集的数据在不同的车辆之间传递，最后会有一个相当于目的节点的处理中心来分析这些采集到的数据。

1.2.3加拿大Kiosk Net项目

Kiosk Net系统是为了解决偏远农村地区互联网联通效率低的问题由加拿大滑铁卢大学提出，该系统由分散式乡村用户、城镇网关、一级网络服务器和二级网络服务器、偏远地区的公共通话设备以及公共交通工具等组成的。Kiosk Net^[5]系统包含数个分散的偏远的农村地区，系统中的用户可以通过分散在各个角落的电话亭、报亭发送或者接收数据，也可以通过自己携带的终端设备（如手机）进行数据传输。每个地区都配备有一个Kiosk Net网关，负责在二级服务器和公交之间传输数据，同时二级服务器也可以和与互联网连接的一级服务器传输数据，从而有效提高偏远农村地区进行互联网联通的性价比，减少偏远地区的入网成本。

1.2.4国内研究现状

目前国内对于DTN网络的研究开始步入正轨。最近几年开展了一些小型应用项目的研究，其中中国电子科技大学的通信与网络实验室^[6]是较早对DTN网络进行研究的实验室之一。随着DTN网络研究的进一步成熟和应用价值的凸显，DTN网络研究逐渐受到关注，中国电子科技大学及浙江大学等国内知名的高等学府的研究者也开始对其展开研究^[7]。目前对于DTN网络的研究成为一个研究热点，虽然已经有了一些比较成功的应用，但是仍然局限于一些临时性的短期限的试验，在大规模实用阶段前还有很长的一段路要走。本论文通过对DTN网络协议的仿真分析，对未来DTN网络的研究热点进行预判。

1.3 本论文的研究内容

1.3.1 DTN经典网络传输协议的介绍与分析

本论文主要针对DTN的经典网络传输协议进行分析与研究，介绍DTN路由及相关技术，详细描述DTN关键协议Bundle层的协议原理。DTN在大部分的时间里没有从来源到目的地的端到端路径，由于节点在通信中移动、无线网络传输效果、节点稀疏密度不同以及其他不利因素的影响，对于这个网络，传统的依赖于端到端的路径的特设路由协议不再适合。在DTN中，定义了一种新的端到端的面向消息而非面向连接的协议层叫做Bundle层^[17]，它可由用户根据实际需求进行定义，一般存在于应用层和传输层之间，它通过持久存贮技术来克服复杂网络环境中由于网络中断形成一个网络覆盖层造成速度不稳定和掉线的现象。Bundle层中有一种可靠交付和可选的端到端的确认机制（Confirm System）^[7]，这种机制通过使用灵活的命名方式来增加互操作的灵活性，可以使用同一命名语法来封装不同的寻址模式。同时，它通过一种可选择的保护模型来避免网络设备在用户未经过授权的情况下被使用。本论文通过对DTN经典网络传输协议的介绍，提出未来网络传输可行性优化方案分析。

1.3.2 DTN无线网络仿真平台的选择

理论研究发现，一些数学模型如马尔可夫模型和常微分方程（ODE）^[8][9]模型，可以被用来评估DTN协议的性能。然而，这些模型过于简化而不能够正确地描述高度复杂的DTN的能力。用这些模型来评估DTN的协议时会受到严重的限制。因此，需要更现实的基于模拟和实验的评估工具。当前测试工具可以分为两种类型—基于软件仿真的和基于测试实验的。基于软件仿真的可以使用通用的网络仿真软件NS-2和OPNET^[10]，或者专门的DTN仿真工具像ONE和OMNeT ，而基于测试实验的有ORBIT和马塞诸塞州大学的Diesel Net。NS-2和OPNET为通用仿真软件，建立的流动模型过于简单，模拟现实环境的能力较弱，而以ORBIT和马塞诸塞州大学的Diesel Net为代表的基于测试实验的仿真平台的建造成本过高，需要耗费大量的金钱和时间，不符合目前的资源限制要求，因此选择了ONE作为仿真平台。ONE是一种离散事件仿真器，能够模拟实际节点移动并跟踪集成路径，较之NS-2更接近真实的无线网络环境，而搭建这样一种仿真环境成本极低，可谓是理想的仿真平台选择。本文选择专用的ONE仿真器以期取得较好的仿真效果。

第二章 DTN网络协议架构

2.1 DTN网络协议栈简介

在DTN网络体系结构中，Bundle层通过持久存贮技术来克服复杂网络环境中由于网络中断形成一个网络覆盖层而造成速度不稳定和掉线的现象，实现能够容忍高延时和连接中断。Bundle层中有一种可靠交付责任转移和可选的端到端的确认机制，这种机制可以使用非常灵活的命名方式来增加互操作的灵活性，可以使用同一命名语法来封装不同的寻址模式。同时，它通过一种可选择的保护模型来避免网络设备被未经过授权的用户使用。在这种结构方式下，DTN网络使用存贮转发消息的方式来为异构互连的系统提供了一种通用可靠的实现方式。DTN网络的协议体系结构^[11]如下所示：

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