張思耀，吳靜，江昊，相煜帆

（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072）

空間延遲容忍網(wǎng)絡(luò)半物理仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

張思耀，吳靜，江昊，相煜帆

（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072）

空間延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）架構(gòu)通過(guò)“存儲(chǔ)—攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)”等功能可以有效地支持具有長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼率、鏈路頻繁通斷等特性的深空通信網(wǎng)絡(luò)。由于深空通信方面應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)不易搭載測(cè)試，于是，搭建準(zhǔn)確可信的半物理仿真平臺(tái)對(duì)深空通信任務(wù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真論證是非常必要的。提出了支持各種特定的深空通信任務(wù)仿真的空間DTN半物理仿真平臺(tái)。本仿真平臺(tái)為深空通信新理論、技術(shù)等提供地面仿真與驗(yàn)證，為開(kāi)展深空通信應(yīng)用研究提供了分析工具以及測(cè)試手段。

延遲容忍網(wǎng)絡(luò)；深空通信；半物理仿真平臺(tái)；SDN

1 引言

隨著空間通信方面的需求日益增加，空間通信逐漸趨向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，而且這種趨勢(shì)已成為空間通信研究的主流?？臻g網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)延長(zhǎng)、誤碼率高、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓㈡溌吠〝囝l繁等特點(diǎn)，使得在報(bào)文傳輸?shù)倪^(guò)程中，收發(fā)兩端不能穩(wěn)定地保持端到端的路徑。DTN（delay tolerant network，延遲容忍網(wǎng)絡(luò)）可以提供跨越間歇、中斷、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的可靠消息傳遞，適合應(yīng)用于空間網(wǎng)絡(luò)這類受限網(wǎng)絡(luò)，為空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)提供有效連接方式?？臻gDTN將DTN結(jié)構(gòu)[1]引入空間網(wǎng)絡(luò)體系中。

空間DTN在深空通信方面已有許多研究。NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）開(kāi)展了大量的空間DTN互聯(lián)研究。在國(guó)際空間站的應(yīng)用環(huán)境中，也進(jìn)行了相應(yīng)的DTN應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[2]，空間站上進(jìn)行的生物實(shí)驗(yàn)生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被成功地傳回地面控制中心。在基于DTN體系結(jié)構(gòu)的深度撞擊航天器中進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸飛行驗(yàn)證[3]，項(xiàng)目將300幅圖像從地面?zhèn)鞯缴疃茸矒艉教炱骱蟪晒骰?，?duì)基于DTN的空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑S多環(huán)節(jié)（數(shù)據(jù)束的生成、傳輸、獲取、動(dòng)態(tài)路由計(jì)算、擁塞控制等）進(jìn)行了驗(yàn)證。災(zāi)難檢測(cè)星座是由一些近地軌道衛(wèi)星組成的星座，在這個(gè)星座中也開(kāi)展基于DTN的數(shù)據(jù)傳輸飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[4]，對(duì)地面遙測(cè)的數(shù)據(jù)先保存，等到適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)再通過(guò)地面站傳回控制中心。參考文獻(xiàn)[5]描述了在NASA的空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中按需提供快速上行數(shù)據(jù)服務(wù)的方案。該方案提出了一種動(dòng)態(tài)的、按需服務(wù)的方式：通過(guò)使用DTN協(xié)議棧，以一種清晰、簡(jiǎn)潔的方式滿足服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需求。ESA（European Space Agency，歐洲航天局）資助的“擴(kuò)展 Internet到太空”[6]是一個(gè)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體上實(shí)現(xiàn)CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems，國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)）和DTN的許多協(xié)議。DTN為SIS提供了有效的解決方案，但是目前太空中已經(jīng)部署了大量各種類型的資產(chǎn)，不可能一步到位地在其中部署DTN協(xié)議。為此CCSDS提出了DTN體系與現(xiàn)有的協(xié)議體系共存，并最終發(fā)展到以DTN為主的體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)方案[7]。

我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)起步比較晚，在DTN方面的研究主要集中在移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線移動(dòng)自組織網(wǎng)的路由算法等細(xì)節(jié)技術(shù)層面，并沒(méi)有在系統(tǒng)層面上提出可靠的解決方案，而且也沒(méi)有具體的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的可操作性規(guī)范，在航天領(lǐng)域尤其是在深空通信中的應(yīng)用研究仍是空白。深空通信面臨著與傳統(tǒng)地面無(wú)線通信截然不同的通信難題，不僅對(duì)技術(shù)要求高，同時(shí)具有高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，研究代價(jià)大，因此，在深空通信任務(wù)進(jìn)行前，建立準(zhǔn)確、可靠的仿真平臺(tái)進(jìn)行前期的仿真論證是必要的

國(guó)內(nèi)外面向DTN設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的仿真平臺(tái)主要有NS2、OMNeT++、DTNsim和ONE等。NS2和OMNeT++主要針對(duì)通用的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)DTN不具備良好支持，而且需要用戶自己開(kāi)發(fā)特定模塊，如果要進(jìn)行深空通信網(wǎng)絡(luò)仿真，效果不好，而且開(kāi)發(fā)起來(lái)比較困難；DTNsim和ONE仿真器都是針對(duì)DTN開(kāi)發(fā)的模擬器，然而DTNsim只是集中在路由的模擬，不符合本文的要求，而ONE具有模擬分析多種DTN協(xié)議的能力，在DTN模擬中具備很強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，但是ONE仿真的環(huán)境缺少物理層和鏈路層的支持，換句話說(shuō)，只是在軟件層面對(duì)DTN進(jìn)行仿真，只能模擬傳輸虛擬數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行真實(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。為了能夠直觀、真實(shí)、系統(tǒng)地仿真深空通信網(wǎng)絡(luò)，基于用戶特定的深空通信場(chǎng)景，本文搭建了空間DTN半物理仿真平臺(tái)，在深空通信載體對(duì)應(yīng)的PC間模擬深空通信網(wǎng)絡(luò)中真實(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。利用流量控制工具Netem模擬深空通信網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)時(shí)延、高分組丟失率、高誤碼率等特性，而鏈路的頻繁通斷則基于SDN（software defined networking）架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到與深空通信場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本平臺(tái)仿真模擬的空間鏈路靈活性好、參數(shù)全面可配置，而且是對(duì)深空環(huán)境的真實(shí)模擬；在HLA架構(gòu)下，采用聯(lián)邦管理各聯(lián)邦成員，成員之間互不影響，仿真平臺(tái)擴(kuò)展性以及重用性好。

2 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

仿真平臺(tái)應(yīng)實(shí)時(shí)反映出深空通信環(huán)境，對(duì)相應(yīng)參數(shù)（傳輸時(shí)延、誤碼率、鏈路狀態(tài)等）進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)更新。深空通信過(guò)程復(fù)雜，需要仿真平臺(tái)具備多個(gè)子系統(tǒng)來(lái)同步模擬，采用HLA/RTI時(shí)間管理技術(shù)可以使各個(gè)子系統(tǒng)分別保持?jǐn)?shù)據(jù)中時(shí)間邏輯同步以及各子系統(tǒng)間的信息和數(shù)據(jù)交互同步。整個(gè)平臺(tái)包含3個(gè)子模塊：數(shù)據(jù)中心模塊、深空環(huán)境仿真模塊和通信節(jié)點(diǎn)模塊。平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，RTI（run-time infrastructure）為運(yùn)行支撐環(huán)境。

圖1 仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

2.1 通信節(jié)點(diǎn)模塊

真實(shí)的深空通信場(chǎng)景可以通過(guò)STK （satellite tool kit）衛(wèi)星工具軟件包來(lái)模擬仿真，但真實(shí)的數(shù)據(jù)流動(dòng)則必須由對(duì)應(yīng)的通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，所以得采用硬件設(shè)施（電腦）來(lái)模擬通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，各節(jié)點(diǎn)能完整地模擬數(shù)據(jù)的保管傳輸、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和間斷連接等特性。在實(shí)現(xiàn)中，為了節(jié)省資源，采用虛擬化的方式在一臺(tái)主機(jī)上模擬多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這就對(duì)虛擬機(jī)（VM）的I/O性能有很高的要求。虛擬機(jī)操作系統(tǒng)多數(shù)情況下是通過(guò)VMM（virtual machine monitor，虛擬機(jī)監(jiān)視器）來(lái)與硬件進(jìn)行通信，由VMM來(lái)決定其對(duì)系統(tǒng)上所有虛擬機(jī)的訪問(wèn)，而VMM工作運(yùn)行則會(huì)進(jìn)一步增加服務(wù)器處理器的負(fù)載。這里采用Intel虛擬化技術(shù)（VT），直接分配物理 I/O設(shè)備給 VM，這個(gè)模型下，VM內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)程序直接和硬件設(shè)備直接通信，只需要經(jīng)過(guò)少量或者不經(jīng)過(guò)VMM的管理，這個(gè)模型幾乎完全消除了在VMM中運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序的需求，從而大大提升了虛擬化的I/O性能。具體的實(shí)現(xiàn)是：每臺(tái)主機(jī)上通過(guò)KVM虛擬機(jī)虛擬出4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有兩塊網(wǎng)卡：虛擬網(wǎng)卡（管理網(wǎng)卡）和PCIe物理網(wǎng)卡（通信網(wǎng)卡），前者用于與數(shù)據(jù)收集調(diào)度分析模塊交互，接收配置命令，后者用于通信仿真中Bundle分組傳輸。

根據(jù)已經(jīng)發(fā)布的DTN協(xié)議，DTN研究小組已經(jīng)用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了DTN協(xié)議的原型——DTN2軟件，DTN2中實(shí)現(xiàn)了Bundle協(xié)議中的幾乎全部關(guān)鍵功能，如Bundle分組的托管傳輸、Bundle路由以及數(shù)量眾多的匯聚層實(shí)現(xiàn)，可以直接用于實(shí)際的部署。直接將DTN2編譯安裝在VM上。外部主機(jī)主要用于管理VM，包括創(chuàng)建、分配資源、啟動(dòng)和停止等操作，內(nèi)部VM則運(yùn)行DTN協(xié)議棧和通信應(yīng)用，模擬真實(shí)的DTN通信。在每臺(tái)電腦上搭建的虛擬化平臺(tái)如圖2所示。

圖 2 節(jié)點(diǎn)軟硬件平臺(tái)示意

2.2 深空環(huán)境仿真模塊

模擬深空通信真實(shí)場(chǎng)景可以為仿真平臺(tái)提供實(shí)時(shí)鏈路信息，主要包括空間DTN中各個(gè)通信設(shè)備間的鏈路實(shí)時(shí)通斷情況、鏈路質(zhì)量（時(shí)延、上下行帶寬比）、鏈路傳輸性能等。STK中的仿真功能可以實(shí)時(shí)提供所需的各種仿真參數(shù)。需要將這些仿真參數(shù)反饋到真實(shí)的通信鏈路上。在通信過(guò)程中，通信節(jié)點(diǎn)之間的鏈路傳輸性能（時(shí)延、誤碼率、分組丟失率），可以通過(guò)Linux系統(tǒng)下的Netem模塊實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Netem設(shè)置帶寬限制、分組丟失率和時(shí)延等參數(shù)，以達(dá)到真實(shí)的空間鏈路效果。使用到的主要命令及其功能見(jiàn)表1。

表1 Netem命令及其功能

深空通信中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫窃诓粩嘧兓?，鏈路通斷頻繁。這里采用SDN的思想模擬深空通信中的各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間鏈路的通斷，通過(guò)流表控制SDN交換機(jī)以達(dá)到鏈路通斷目的。Floodlight控制器是開(kāi)源的SDN控制器，提供REST API編程接口，通過(guò)REST API可以使用HTTP的get/post/delete方法實(shí)現(xiàn)對(duì)流表的信息獲取、添加、刪除等操作，見(jiàn)表2。圖3所示為利用Floodlight控制SDN交換機(jī)的示意，工作過(guò)程如下：控制程序利用STK提供的connect命令，通過(guò)執(zhí)行命令獲取各個(gè)STK對(duì)象之間的access信息；在可見(jiàn)性的starttime和endtime時(shí)間點(diǎn)調(diào)用Floodlight提供的REST API，進(jìn)行流表修改，即可控制通信節(jié)點(diǎn)之間的通斷。而在通信過(guò)程中，拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)變化的，鏈路的通斷也不斷變化，所以利用Floodlight下發(fā)的流表應(yīng)該實(shí)時(shí)更新。在控制程序中設(shè)計(jì)了一個(gè)算法，由于對(duì)象之間的可見(jiàn)性都有間隔，于是每隔0.1 s獲取當(dāng)前STK場(chǎng)景里的時(shí)間，然后判斷是否在某一段可見(jiàn)性時(shí)間內(nèi)，基本的算法流程如圖4所示，這樣就實(shí)現(xiàn)了鏈路動(dòng)態(tài)變化。

表2 本平臺(tái)常用的REST API

圖3 Floodlight控制SDN交換機(jī)示意

2.3 數(shù)據(jù)中心模塊

數(shù)據(jù)中心模塊主要有3個(gè)功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分發(fā)和數(shù)據(jù)分析。

（1）數(shù)據(jù)采集

采集當(dāng)前深空通信場(chǎng)景仿真的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和仿真過(guò)程中真實(shí)數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)信息。

（2）數(shù)據(jù)處理分發(fā)

依據(jù)這些采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)判，然后分發(fā)給各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，保證節(jié)點(diǎn)根據(jù)參數(shù)模擬通信鏈路，從而保證數(shù)據(jù)有效運(yùn)行。

（3）數(shù)據(jù)分析

分析數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)信息，將這些信息提供給指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行更新計(jì)算。

在數(shù)據(jù)傳輸以及接收的過(guò)程中，數(shù)據(jù)中心模塊通過(guò)RTI與 VM（通信節(jié)點(diǎn)）的 dtnd（delay tolerant network daemon，dtn守護(hù)進(jìn)程）通信，獲取所需的性能參數(shù)，并進(jìn)行計(jì)算得到要求的性能指標(biāo)。指標(biāo)計(jì)算的大體工作過(guò)程是：按固定間隔發(fā)送命令，獲取統(tǒng)計(jì)信息，將統(tǒng)計(jì)信息提供給各指標(biāo)的計(jì)算函數(shù)進(jìn)行更新計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)在圖表中，其工作流程如圖5所示。數(shù)據(jù)中心模塊程序通過(guò)Telnet協(xié)議連接位于VM中的dtnd進(jìn)程，發(fā)送統(tǒng)計(jì)命令以獲取統(tǒng)計(jì)信息。

已實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)有5個(gè)：隊(duì)列長(zhǎng)度、平均成功交付率、報(bào)文傳輸比、網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷比。

（1）隊(duì)列長(zhǎng)度

假設(shè)在仿真時(shí)刻t，節(jié)點(diǎn)i上緩存的Bundle報(bào)文數(shù)量為 Mi，則節(jié)點(diǎn) i在時(shí)刻t的隊(duì)列長(zhǎng)度為 Mi。

（2）平均成功交付率

圖4 動(dòng)態(tài)下發(fā)流表的算法流程

圖5 指標(biāo)計(jì)算顯示的流程

假設(shè)在仿真時(shí)間[0,t)內(nèi)，共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)生成并發(fā)送了Bundle報(bào)文。對(duì)于節(jié)點(diǎn)i∈[1，N)，將它發(fā)送的 Bundle報(bào)文總數(shù)記為xi；將xi個(gè)Bundle報(bào)文中，成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的Bundle報(bào)文數(shù)量記為yi，那么在仿真時(shí)間[0,t)內(nèi)，平均成功交付概率可以定義為：

（3）報(bào)文傳輸比

在仿真時(shí)間[0,t)內(nèi)，將各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)新生成的Bundle報(bào)文總數(shù)記為X（不包含由于路由策略不同，而產(chǎn)生的Bundle報(bào)文復(fù)制）；將X個(gè)Bundle報(bào)文中，成功傳送到目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量記為Y，則報(bào)文傳輸比可以定義為：

（4）網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延

在仿真時(shí)間[0,t)內(nèi)，將各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)新生成的Bundle報(bào)文總數(shù)記為X。對(duì)于Bundle報(bào)文i∈[1，X)，將它從源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)為止，所花費(fèi)的時(shí)間記為ti，則網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延可以定義為：

（5）網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷比

在仿真時(shí)間[0,t)內(nèi)，將已經(jīng)開(kāi)始傳送，但最終沒(méi)有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的Bundle報(bào)文總數(shù)記為Q，將已經(jīng)開(kāi)始傳送，并最終成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的Bundle報(bào)文總數(shù)記為P，則網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷比可以定義為：

前文分別介紹了3個(gè)模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，整個(gè)平臺(tái)的具體部署結(jié)構(gòu)如圖6所示，4個(gè)Linux主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)模塊，控制程序中DTN路由及鏈路的配置、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)配置、鏈路參數(shù)的配置、交換機(jī)控制各個(gè)DTN節(jié)點(diǎn)鏈路屬于深空通信環(huán)境模塊，而數(shù)據(jù)采集分析及處理和虛擬機(jī)的管理程序則屬于數(shù)據(jù)中心模塊。平臺(tái)的工作流程如圖7所示。STK仿真程序先建立仿真場(chǎng)景，計(jì)算節(jié)點(diǎn)軌跡、覆蓋性等并保存?？刂婆_(tái)從STK獲取場(chǎng)景文件等，送給STKX進(jìn)行場(chǎng)景演示?？刂婆_(tái)將場(chǎng)景信息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后生成SDN控制器可識(shí)別的指令，由SDN控制器執(zhí)行并對(duì)SDN交換機(jī)進(jìn)行鏈路配置。控制臺(tái)將鏈路狀況信息發(fā)送給節(jié)點(diǎn)模擬設(shè)備的Netem模塊，Netem模塊根據(jù)這些信息進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的鏈路配置。全部信息配置好后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，STKX實(shí)時(shí)顯示2D、3D場(chǎng)景，節(jié)點(diǎn)模擬設(shè)備的DTN2根據(jù)鏈路情況控制業(yè)務(wù)源發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)模擬設(shè)備將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)回送給控制臺(tái)程序進(jìn)行同步顯示。

3 仿真平臺(tái)測(cè)試與分析

圖 6 平臺(tái)具體部署結(jié)構(gòu)

根據(jù)深空通信的特性，此處采用了一種比較典型的月球信息采集場(chǎng)景，數(shù)據(jù)源為環(huán)月衛(wèi)星A，中繼節(jié)點(diǎn)為拉格朗日點(diǎn)的衛(wèi)星B和地球同步衛(wèi)星C，地面站為數(shù)據(jù)接收端。仿真場(chǎng)景如圖8所示。在通信過(guò)程中，環(huán)月衛(wèi)星A圍繞月球飛行時(shí)不斷采集信息，A不能時(shí)刻保持與B的通信鏈路，它將需要傳送的消息進(jìn)行緩存，當(dāng)A移動(dòng)到B的通信范圍內(nèi)時(shí)，向B交付消息。B收到消息后可能與衛(wèi)星C也沒(méi)有直接的通信鏈接，必須對(duì)消息進(jìn)行緩存，待C運(yùn)動(dòng)到B的通信范圍內(nèi)時(shí)，B與C建立通信連接，B將消息發(fā)送給C，C將消息最終交付給D。

圖7 平臺(tái)工作流程

圖8 仿真場(chǎng)景

圖9 隊(duì)列長(zhǎng)度曲線

此場(chǎng)景選用圖片作為傳送數(shù)據(jù)，選用圖片的優(yōu)勢(shì)是：在通信過(guò)程中，根據(jù)圖片的同步接收及顯示情況可以直觀地反映出深空通信環(huán)境的變化對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懠八O(shè)計(jì)的深空通信任務(wù)方案的可行性。在仿真過(guò)程中可以得到各指標(biāo)曲線，圖9為隊(duì)列長(zhǎng)度曲線，隊(duì)列長(zhǎng)度曲線可以很直觀地反映出通信過(guò)程中，通信節(jié)點(diǎn)緩存Bundle分組數(shù)量的變化情況，所以這里主要分析隊(duì)列長(zhǎng)度曲線。

在最初階段，環(huán)月衛(wèi)星和地面站的視頻流是連通的，所以環(huán)月衛(wèi)星和拉格朗日點(diǎn)衛(wèi)星的緩存隊(duì)列為0，隨著衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)，拉格朗日點(diǎn)衛(wèi)星和地球同步衛(wèi)星GEO的鏈路斷開(kāi)，這時(shí)拉格朗日點(diǎn)的衛(wèi)星仍在繼續(xù)接收環(huán)月衛(wèi)星傳來(lái)的數(shù)據(jù)，且將這些數(shù)據(jù)緩存在Bundle層里面，所以曲線在不斷上升。在環(huán)月衛(wèi)星和拉格朗日點(diǎn)衛(wèi)星的鏈路斷開(kāi)之后，環(huán)月衛(wèi)星開(kāi)始緩存數(shù)據(jù)，曲線開(kāi)始上升，而拉格朗日點(diǎn)緩存的數(shù)據(jù)上升速率會(huì)有變化，主要由拉格朗日點(diǎn)和GEO之間的鏈路通斷引起。后面的情況也如此。隊(duì)列長(zhǎng)度曲線如預(yù)期的變化也驗(yàn)證了仿真平臺(tái)在模擬深空通信過(guò)程方面的可行性。圖10分別為其余4個(gè)指標(biāo)的曲線。

由圖10可以看出，報(bào)文傳輸比和平均成功交付率以及網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷比的曲線形狀大致相似，從式（1）、式（2）、式（4）來(lái)分析，平均成功交付率類似于報(bào)文傳輸比的平均值，都是到達(dá)的Bundle分組在所發(fā)出的Bundle中的比例，所以曲線相似，而網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷比就是未收到的Bundle分組與收到的Bundle分組的比值，所以也與報(bào)文傳輸比、平均成功交付率的曲線類似。圖 10（a）、圖 10（b）中曲線的下降階段，表示抵達(dá)的Bundle分組的速率對(duì)比發(fā)出的Bundle分組速率直線下降，而這個(gè)時(shí)段正是鏈路斷開(kāi)，Bundle分組不斷產(chǎn)生的時(shí)候；而曲線上升則表示鏈路連通，Bundle分組會(huì)不斷地到達(dá)目的接收端，與STK中運(yùn)行中的場(chǎng)景正好對(duì)應(yīng)。圖10（c）中曲線的高低分別對(duì)應(yīng)未抵達(dá)Bundle分組的多少，由于場(chǎng)景正在運(yùn)行中，在不斷地產(chǎn)生Bundle分組，而產(chǎn)生Bundle分組的速率比到達(dá)目的地的Bundle分組的速率快，所以未到達(dá)目的地的Bundle分組很多，但是在通信過(guò)程的后期，發(fā)出分組的速率變小或者分組越來(lái)越少時(shí)，未到達(dá)的分組比例會(huì)變少，曲線會(huì)一直下降，直到一個(gè)合適的比例。圖10（d）中曲線上升階段正是目的接收端與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)端鏈路斷開(kāi)的階段，所以這個(gè)時(shí)候時(shí)延會(huì)一直上升，時(shí)延比較大，而一旦鏈路連通時(shí)，時(shí)延會(huì)急速下降，與STK中運(yùn)行的場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)。

圖10 仿真平臺(tái)指標(biāo)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了一套實(shí)時(shí)性好、可擴(kuò)展重用以及互操作性好的分布式空間延遲容忍網(wǎng)絡(luò)半物理仿真平臺(tái)。通過(guò)STK軟件仿真空間環(huán)境系統(tǒng)，把真實(shí)的空間環(huán)境實(shí)時(shí)地映射到平臺(tái)中。通過(guò)虛擬化的方式在資源占用率低的情況下模擬出多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，而且運(yùn)用SDN的方法以及流量控制工具，解決了模擬深空通信環(huán)境中鏈路的動(dòng)態(tài)變化難題，實(shí)現(xiàn)與空間環(huán)境同步的DTN通信仿真。在特定的場(chǎng)景模擬了真實(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，完成了本平臺(tái)上的仿真，同時(shí)也驗(yàn)證了本平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可行性。該平臺(tái)能夠?yàn)橄嚓P(guān)通信技術(shù)提供切實(shí)可行的驗(yàn)證手段和實(shí)現(xiàn)分析方法。但是本平臺(tái)還有些許不足，比如SDN控制器目前只部署在模擬地面站節(jié)點(diǎn)中，這會(huì)導(dǎo)致在地面站對(duì)衛(wèi)星不可見(jiàn)的時(shí)候，SDN控制器會(huì)失去控制效果。而對(duì)于深空通信環(huán)境的模擬，深空通信環(huán)境遠(yuǎn)比想象復(fù)雜，比如磁暴、宇宙噪聲、電波的傳輸損耗等對(duì)鏈路傳輸質(zhì)量帶來(lái)的影響在本平臺(tái)中并未考慮。后期的工作重點(diǎn)會(huì)放在SDN控制器在飛行器的部署和SDN控制器的集群以及使用衛(wèi)星鏈路仿真器 （satellite link emulator，SLE）來(lái)模擬真實(shí)鏈路上。

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Design and implementation of semi-physical simulation platform in space delay tolerant network

ZHANG Siyao,WU Jing,JIANG Hao,XIANG Yufan
School of Electronics and Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China

The architecture of space delay tolerant networking can effectively support a deep space communication network with long delay,high error rate and on-off frequently link characteristics through “store-carry-forwards” and other features.Due to the experiment of application of deep space communication is not easy to carry,so building an accurate and reliable semi-physical simulation platform for simulating and making an argumentation of the design of deep space communication tasks was very necessary.A space DTN semi-physical simulation platform was proposed which supported a variety of specific deep space communication tasks simulation.The simulation platform provided new theory and technology for ground simulation and verification,and provided analysis tools and test instruments for carrying out deep space communication application study.

delay tolerant network,deep space communication,semi-physical simulation platform,SDN

s:Higher Education Cooperation Foundation of the 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation“the Key Technology Research and Performance Simulation in Spatial Information Network and SDN”,Autonomous Science Research Project in Central Affiliated University(No.2042014gf020,No.2042014kf0256),Natural Science Foundation of Hubei Province of China(No.2014CFB716,No.2011CDA042),The National Natural Science Foundation of China(No.61371126)

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016187

2016-03-24；

2016-07-07

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所高校合作基金資助項(xiàng)目“空間信息網(wǎng)絡(luò)SDN關(guān)鍵技術(shù)研究與效能仿真驗(yàn)證”；中央高校自主科研項(xiàng)目(No.2042014gf020,No.2042014kf0256)；湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No.2014CFB716,No.2011CDA042)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61371126)

張 思 耀 （1990-），男 ，武 漢 大 學(xué) 電 子 信 息 學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)、DTN、SDN 等。

吳靜（1981-），女，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)管理和性能優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)。

江昊（1976-），男，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析與挖掘、空間綜合信息網(wǎng)絡(luò)等。

相煜帆（1992-），男，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)、DTN、SDN 等。