陳夢婷，田 茂，陳小莉,程用志

1(武漢科技大學(xué) 信息工程與科學(xué)學(xué)院， 武漢 430081)

2(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 武漢 430072)

3(武漢晴川學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院， 武漢 430204)

E-mail：cmt.clover@qq.com

1 引 言

隨著空間信息技術(shù)的迅速發(fā)展，世界各國已普遍意識(shí)到，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在全球通信、導(dǎo)航定位、氣象預(yù)測、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、資源探測和軍事應(yīng)用等方面將發(fā)揮越來越重要的作用，以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為核心的空間網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)日益成為各國持續(xù)研究與發(fā)展的戰(zhàn)略性工程[1].而不同于地面網(wǎng)絡(luò)的是，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的通信有著通信時(shí)延大、鏈路誤碼率高、間斷連接等特點(diǎn)和延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay Tolerant Network，DTN)十分相似，因此衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以看成一種典型的DTN[2].

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的資源有限，使用長期保存數(shù)據(jù)的方式會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中消息的擁塞，一旦出現(xiàn)擁塞會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星DTN網(wǎng)絡(luò)通信的時(shí)延變大、誤碼率增大、收到消息的成功率降低[3].因此適當(dāng)?shù)膿砣刂剖切l(wèi)星DTN獲得網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、可靠性和可接受性能的關(guān)鍵技術(shù)[4].

本文針對衛(wèi)星DTN中節(jié)點(diǎn)軌跡可預(yù)測性，節(jié)點(diǎn)消息壽命有限的特點(diǎn)，提出了一種具有通用性的基于節(jié)點(diǎn)擁塞狀態(tài)分類處理的優(yōu)先級隊(duì)列擁塞控制策略，該策略能廣泛應(yīng)用于多種DTN經(jīng)典路由算法，且不使其中的接收策略發(fā)生沖突，并通過將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的擁塞狀態(tài)分類進(jìn)行擁塞處理，調(diào)整消息隊(duì)列優(yōu)先級，使得衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)能靈活的控制緩存使用.同時(shí)加入冗余消息清除機(jī)制以快速清除網(wǎng)絡(luò)中的冗余副本消息，以減輕衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)擁塞負(fù)擔(dān).通過將消息遷移和消息刪除相結(jié)合的溢出消息處理方法，利用閾值來判斷消息是進(jìn)行遷移或是刪除，并利用DLNHP方法判斷消息處理隊(duì)列的優(yōu)先級，以改進(jìn)傳統(tǒng)緩存策略的不足.通過導(dǎo)入衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡參與仿真，該擁塞控制機(jī)制在可應(yīng)用于多種路由策略的同時(shí) 提高了數(shù)據(jù)的投遞率，減少了路由開銷.

2 相關(guān)工作

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法是基于短延時(shí)的端到端反饋機(jī)制，但由于DTN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間存在端到端的短延時(shí)，因此DTN不能采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法.DTN擁塞控制帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)及其對性能的影響促使了許多研究工作，研究人員也不斷地為DTN開發(fā)新的擁塞控制方案[5].

網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況由于節(jié)點(diǎn)利用率不同會(huì)出現(xiàn)不同的擁塞程度，因此可以將節(jié)點(diǎn)按照不同緩存利用率將擁塞節(jié)點(diǎn)分類處理.文獻(xiàn)[6]中提出一種基于觀察到DTN節(jié)點(diǎn)中的擁塞狀態(tài)的擁塞控制機(jī)制，它為DTN節(jié)點(diǎn)提出按照擁塞程度分類成三種狀態(tài)進(jìn)行分類傳輸.作者同樣基于擁塞狀態(tài)分類提出一種可以動(dòng)態(tài)調(diào)整消息接收概率的擁塞控制策略(Adaptive Congestion Control mechanism based on Node State，ACC-NS)，該策略在不同的節(jié)點(diǎn)擁塞狀態(tài)使用不同的消息接收概率，從而控制節(jié)點(diǎn)緩存的使用量以控制擁塞.這些方法能用不同的方法處理處于不同程度擁塞的節(jié)點(diǎn)，限制擁塞節(jié)點(diǎn)的消息接收，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，但擁塞節(jié)點(diǎn)拒絕接收消息會(huì)增加消息傳輸?shù)臅r(shí)延.

大多數(shù)DTN擁塞控制機(jī)制，例如文獻(xiàn)[7-9]以及ACC-NS等是考慮到特定的DTN路由協(xié)議而提出的，他們歸類為依賴路由協(xié)議的擁塞控制機(jī)制，即不具有通用性.例如文獻(xiàn)[10]中提出一種稱為基于流行路由(Average Forwarding Number based on Epidemic Routing，AFNER)的平均轉(zhuǎn)發(fā)號碼的擁塞控制策略.另一方面有文獻(xiàn)[11,12]中等機(jī)制，它們獨(dú)立于路由協(xié)議，不依賴于底層路由機(jī)制，因此可以與任何路由協(xié)議一起使用，即它們具有通用性.對于需要通過Bundle Layer進(jìn)行互操作的DTN，擁塞控制機(jī)制應(yīng)獨(dú)立于路由協(xié)議，即具有通用性的擁塞控制機(jī)制能帶給DTN更好的性能[13].

消息刪除可分為主動(dòng)刪除和被動(dòng)刪除，主動(dòng)刪除既當(dāng)消息滿足設(shè)定的要求時(shí)執(zhí)行消息刪除指令，被動(dòng)刪除既當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩存空間滿時(shí)為了接受新的消息必須刪除部分消息，傳統(tǒng)的被動(dòng)刪除策略有基于消息生存時(shí)間(drop shortest life time first，SHLI)、基于接收時(shí)刻(drop oldest first，DO)、基于消息轉(zhuǎn)發(fā)概率(drop least probable first，LEPR)、基于消息大小(drop largest first，DLA)，在文獻(xiàn)[14]中作者提出一種將SHLI和DO進(jìn)行結(jié)合的消息刪除策略，達(dá)到兩種緩存策略優(yōu)勢互補(bǔ)的效果.除了能使用消息刪除的方式以清理節(jié)點(diǎn)緩存空間，在文獻(xiàn)[15]中，作者介紹了一種將消息遷移的擁塞控制算法，即使用將消息遷移到其他節(jié)點(diǎn)來代替消息的刪除，但單純的消息遷移會(huì)使網(wǎng)絡(luò)中的消息只增不減會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，提高投遞率的代價(jià)是增加消息傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)開銷.

3 基于擁塞狀態(tài)的隊(duì)列優(yōu)先級擁塞控制

衛(wèi)星DTN中的節(jié)點(diǎn)資源有限，但傳輸?shù)男畔s都十分重要.因此，新的擁塞控制機(jī)制在保障其通用性的同時(shí)，優(yōu)化了節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的分配和利用，根據(jù)存儲(chǔ)使用率將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)分為不同的擁塞狀態(tài)，在不同的擁塞狀態(tài)采用不同的優(yōu)先級隊(duì)列策略轉(zhuǎn)發(fā)消息以減小消息的丟包，從而避免擁塞，同時(shí)加入緩存管理以及時(shí)清理冗余消息，并通過消息遷移和消息刪除優(yōu)先級隊(duì)列相結(jié)合的方式處理緩存溢出的消息.新的擁塞控制機(jī)制稱為基于擁塞狀態(tài)(Congested State)的隊(duì)列優(yōu)先級擁塞控制(Queue Priority Congestion Control)機(jī)制，簡稱為QPCC-CS.

3.1 擁塞狀態(tài)劃分

根據(jù)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)率將節(jié)點(diǎn)分為三個(gè)狀態(tài)：正常狀態(tài)(Normal State，NS)，臨近擁塞狀態(tài)(Congestion Adjacent State，CAS)，擁塞狀態(tài)(Congested State，CS).所需的參數(shù)和功能定義為：定義γ為節(jié)點(diǎn)的緩存利用率，γ的計(jì)算公式為：

(1)

α定義為臨近擁塞狀態(tài)門限值，為常數(shù)，即判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)擁塞狀態(tài)是否為臨近擁塞狀態(tài)(CAS)的γ的最大值；β定義為擁塞狀態(tài)門限值，為常數(shù)，即判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)擁塞狀態(tài)是否為擁塞狀態(tài)(NS)的γ的最大值.

節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1所示.剛開始所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)均為正常狀態(tài)(NS)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)消息增多時(shí)，節(jié)點(diǎn)的緩存利用率γ將達(dá)到臨近擁塞狀態(tài)的門限值α，節(jié)點(diǎn)緩存利用率γ超過α后節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入臨近擁塞狀態(tài)(CAS)，隨著消息在節(jié)點(diǎn)中的進(jìn)一步積累，節(jié)點(diǎn)的緩存利用率γ達(dá)到了擁塞狀態(tài)的門限值β，節(jié)點(diǎn)緩存利用率γ超過β后節(jié)點(diǎn)就從臨近擁塞狀態(tài)(CAS)轉(zhuǎn)換為擁塞狀態(tài)(CS).當(dāng)擁塞被解決時(shí)，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會(huì)從擁塞狀態(tài)(CS)轉(zhuǎn)換為臨近擁塞狀態(tài)(CAS)，然后回到正常狀態(tài)(NS).但是如果傳輸消息的大小過大或者節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)受到限制，那么節(jié)點(diǎn)將從正常狀態(tài)(NS)直接進(jìn)入擁塞狀態(tài)(CS)，并且當(dāng)擁塞被解決時(shí)，節(jié)點(diǎn)從擁塞狀態(tài)(CS)直接返回到正常狀態(tài)(NS).

圖1 節(jié)點(diǎn)的擁塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.2 基于節(jié)點(diǎn)不同擁塞狀態(tài)的擁塞控制

當(dāng)節(jié)點(diǎn)分類為不同的擁塞狀態(tài)時(shí)，可以用不同的機(jī)制對不同擁塞狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類處理，使得擁塞處理過程更加靈活，進(jìn)而緩解衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞.接下來將會(huì)從三種狀態(tài)來分別討論，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于不同擁塞狀態(tài)時(shí)所采取的不同的機(jī)制.

正常狀態(tài)

處于正常狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)的緩存利用率還處于比較低的階段，這時(shí)為了提高此類節(jié)點(diǎn)的利用率，對于此類節(jié)點(diǎn)將要接收的消息不做過多的限制機(jī)制.但為了同時(shí)能保證此策略的通用性，即適用于多種路由策略，會(huì)在此狀態(tài)運(yùn)用其路由策略本身的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制.例如應(yīng)用于Epidemic路由這類沒有轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的路由算法上，則將直接接收該消息；而將此策略應(yīng)用于Prophet路由，則正常狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)依舊會(huì)按照原路由轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制——節(jié)點(diǎn)相遇概率機(jī)制，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).

臨近擁塞狀態(tài)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入臨近擁塞，這時(shí)若像正常狀態(tài)下一樣不進(jìn)行優(yōu)先級排隊(duì)直接接受消息，則此時(shí)節(jié)點(diǎn)大量發(fā)送可能過期的消息，使得投遞率降低，同時(shí)緩存利用率會(huì)迅速上升，必定會(huì)以很快的速度達(dá)到擁塞門限值.因此處于臨近擁塞狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，需要重新進(jìn)行優(yōu)先級隊(duì)列排序，選擇最優(yōu)的消息進(jìn)行傳輸，從而提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸效率.

(2)

對于節(jié)點(diǎn)J到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)K的傳輸時(shí)延，由上式可計(jì)算出多個(gè)T(J,J+1,…,K)值，最小的值為兩節(jié)點(diǎn)間的最短路徑.同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)維護(hù)一個(gè)最短路徑表，用來存儲(chǔ)所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)相遇時(shí)，會(huì)彼此交換該最短路徑表.消息在被接收之前，消息隊(duì)列會(huì)按照最短路徑值由小至大重新排序，在發(fā)送時(shí)使用此順序?qū)⑾⒁来伟l(fā)送.

擁塞狀態(tài)

處于擁塞狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，即γ∈(β，1].此狀態(tài)下的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)緩存利用率已非常高，隨時(shí)會(huì)因?yàn)榫彺娴囊绯龆鴮?dǎo)致消息的丟棄和刪除.當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)因緩存溢出需要?jiǎng)h除消息時(shí)，默認(rèn)會(huì)按照接收消息時(shí)的時(shí)間順序，刪除隊(duì)列末端最早接受的消息.但若不考慮其他因素只按照消息接受的時(shí)間順序刪除消息的話，可能會(huì)將即將到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的消息刪除，從而導(dǎo)致消息投遞率降低.因此當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于擁塞狀態(tài)時(shí)，需要進(jìn)行擁塞處理以使節(jié)點(diǎn)回到臨近擁塞狀態(tài)或正常狀態(tài).

3.3 緩沖區(qū)管理與擁塞處理

3.3.1 緩沖區(qū)管理

為了充分利用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)緩存，當(dāng)消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，需要清除網(wǎng)絡(luò)中所有冗余的消息副本.為此首先為每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)ack列表，列表中的元素是所有已到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的消息ID.當(dāng)某一個(gè)消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)將此消息的ID加入到ack列表的隊(duì)列中，并在節(jié)點(diǎn)完成消息接收時(shí)將更新后的ack列表廣播到全網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)在相遇期間交換和更新彼此的ack列表，以通知所有的節(jié)點(diǎn)此消息已接收.并在節(jié)點(diǎn)完成交付后，節(jié)點(diǎn)消息副本隊(duì)列中刪除ack列表中含有的消息副本.這樣就可以在某個(gè)消息以送達(dá)之后節(jié)點(diǎn)中不會(huì)存有多余的消息副本，以達(dá)到清除冗余的目的.

3.3.2 擁塞處理

擁塞處理能使擁塞的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)從擁塞狀態(tài)重新回到臨近擁塞狀態(tài)或正常狀態(tài).為了獲取下一條將被處理的消息，節(jié)點(diǎn)會(huì)維護(hù)一個(gè)消息處理隊(duì)列，按照隊(duì)列排列的優(yōu)先級選擇下一條將被處理的消息.為了使刪除后對網(wǎng)絡(luò)整體性能影響最小的消息優(yōu)先被處理，需要對消息處理隊(duì)列進(jìn)行優(yōu)先級排序.排序后消息處理隊(duì)列首端的消息將被最先處理，處理時(shí)通常使用消息刪除、消息遷移等操作.當(dāng)僅使用消息刪除來處理溢出的消息時(shí)，由于未考慮到溢出消息的生存時(shí)間、跳數(shù)等情況，溢出的消息若生存時(shí)間長或跳數(shù)短卻依舊被刪除.為了盡量避免這種情況，減少消息的丟棄，在進(jìn)行擁塞處理時(shí)，將使用消息遷移和消息刪除相結(jié)合的方式，以此保障消息傳輸?shù)目煽啃?，增加消息的投遞率.

消息處理隊(duì)列默認(rèn)根據(jù)每個(gè)消息的接收先后進(jìn)行排序，但默認(rèn)的排序可能會(huì)使消息生存時(shí)間短的消息被刪除，從而導(dǎo)致消息投遞率降低.因此需要規(guī)定新的排列順序來保障消息刪除的可靠性，計(jì)算公式為：

(3)

其中ω表示為消息處理隊(duì)列的順序排列參數(shù)，LT表示為當(dāng)前的消息生存時(shí)間，IT表示為消息生成時(shí)的初始消息生存時(shí)間，RT表示為當(dāng)前消息被節(jié)點(diǎn)接收的時(shí)刻，ST表示整個(gè)仿真時(shí)間，σ為比例參數(shù)，并且σ∈(0,1).

消息處理隊(duì)列按照每個(gè)消息所計(jì)算出的ω值進(jìn)行排序，隊(duì)列末端為ω值最小的消息.值得注意的是，ω的大小取決于計(jì)算公式中的比例參數(shù)σ的取值，若σ取值太大，則消息生存時(shí)間參數(shù)占比較大，可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)開銷的增加；若σ取值過小，則消息接收時(shí)間參數(shù)占比較大，可能會(huì)導(dǎo)致消息投遞率降低.因此σ的取值影響網(wǎng)絡(luò)性能，需經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)仿真后取最優(yōu)值較為合適.

這樣將兩種排序方式使用公式結(jié)合在一起，便可相互彌補(bǔ)對方的不足，增加網(wǎng)絡(luò)性能，相對全面的考慮消息的處理排序等操作.待消息處理隊(duì)列排序完畢后，為了不丟失重要信息，增加消息的投遞率，這里將使用消息刪除與消息遷移相結(jié)合的方式，對節(jié)點(diǎn)中溢出的消息進(jìn)行處理.

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)一般都是已知的，因此消息在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中傳播的跳數(shù)不會(huì)太大，若某條消息的跳數(shù)過大并超過某個(gè)值，那么可以間接說明此消息最終被目的節(jié)點(diǎn)接收的可能性會(huì)變得非常小.通過計(jì)算消息跳數(shù)的閾值，來判斷消息處理隊(duì)列中的消息是執(zhí)行遷移操作還是刪除操作，計(jì)算公式為：

(4)

其中D表示消息跳數(shù)的閾值，d表示此節(jié)點(diǎn)中的消息跳數(shù)之和，n表示節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，并定義Ddm為當(dāng)前消息處理隊(duì)列末端的消息dm的跳數(shù).當(dāng)Ddm

3.4 擁塞控制機(jī)制流程

綜合上文提出的節(jié)點(diǎn)擁塞狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)緩存管理以及擁塞處理，節(jié)點(diǎn)N接收消息m的過程以及策略，以節(jié)點(diǎn)N接收節(jié)點(diǎn)M的消息m為例，節(jié)點(diǎn)N接收消息前的準(zhǔn)備流程圖以及節(jié)點(diǎn)N開始接收消息列表流程圖如圖2所示，具體操作流程如下所述：

1)當(dāng)節(jié)點(diǎn)M和節(jié)點(diǎn)N相遇，連接成功后節(jié)點(diǎn)N準(zhǔn)備接收節(jié)點(diǎn)M中的消息列表，節(jié)點(diǎn)M與節(jié)點(diǎn)N交換并更新各自的ack列表.

2)計(jì)算待接收消息的節(jié)點(diǎn)N的γ值，判斷節(jié)點(diǎn)N的擁塞狀態(tài).若節(jié)點(diǎn)N的擁塞狀態(tài)為CS，則跳到3)；若節(jié)點(diǎn)N的擁塞狀態(tài)為CAS，則跳到4)；若節(jié)點(diǎn)N的擁塞狀態(tài)為NS，則跳到5).

圖2 節(jié)點(diǎn)N準(zhǔn)備接收消息列表以及節(jié)點(diǎn)N開始接收消息列表

3)若節(jié)點(diǎn)N的擁塞狀態(tài)為CS，則獲取節(jié)點(diǎn)N的消息處理隊(duì)列，計(jì)算列表中每條消息的ω參數(shù)，將消息處理隊(duì)列中的消息按照ω從大到小的順序排序.獲取消息處理隊(duì)列末端消息dm的跳數(shù)Ddm，計(jì)算跳數(shù)閾值D的大小，若DdmD，否則將末端消息dm刪除.之后再回到2).

4)若節(jié)點(diǎn)N擁塞狀態(tài)為CAS，則將節(jié)點(diǎn)N待接收的消息列表按照Dijkstra排序，路徑短的消息在前，路徑長的消息在后.

5)若節(jié)點(diǎn)N的擁塞狀態(tài)為NS，即此時(shí)節(jié)點(diǎn)N為正常狀態(tài).若原路由算法有自身的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，則此時(shí)將待接收消息列表按照原路由算法自身的機(jī)制排序；若原路由算法沒有轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，則此時(shí)不改變消息列表的排序.例如此擁塞機(jī)制用于Prophet路由時(shí)，則消息列表按傳輸預(yù)測概率排序；用于Epidemic路由時(shí)，則不進(jìn)行排序，直接泛洪.

6)節(jié)點(diǎn)N將開始接收已排序或未排序的消息列表，此時(shí)程序會(huì)遍歷節(jié)點(diǎn)M中的每一條消息，一一按照以上規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先級隊(duì)列化以及清除溢出消息的處理，再將其發(fā)送.

7)當(dāng)節(jié)點(diǎn)N接收其中一條消息m，若節(jié)點(diǎn)N是消息m的目的節(jié)點(diǎn)，則將消息m加入ack列表，待消息m接收完畢時(shí)，節(jié)點(diǎn)N將刪除已有消息列表中與ack列表共有的消息.若節(jié)點(diǎn)N不是消息m的目的節(jié)點(diǎn)，則直接刪除已有消息列表中與ack列表共有的消息.

至此，消息m從節(jié)點(diǎn)M發(fā)送到節(jié)點(diǎn)N過程全部結(jié)束.將節(jié)點(diǎn)的擁塞控制進(jìn)行分類處理，這種動(dòng)態(tài)機(jī)制與靜態(tài)機(jī)制相比，在一定程度上增強(qiáng)了機(jī)制的靈活性.同時(shí)可以根據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)的不同狀態(tài)變化不斷進(jìn)行調(diào)整，從而保證整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的整體性能.并且這種改變部分機(jī)制的分類控制法，可以在不改變原有路由算法轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的情況下，對其進(jìn)行擁塞控制處理，這樣就大大增強(qiáng)此擁塞控制機(jī)制的通用性，更加符合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求.

4 實(shí)驗(yàn)仿真與性能評價(jià)

4.1 仿真平臺(tái)與仿真環(huán)境

本文所使用的仿真平臺(tái)是the ONE和STK軟件，the ONE是一款專門為仿真DTN網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計(jì)的開源仿真平臺(tái)，由于此平臺(tái)不支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)模型，為了能更好的模擬衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)與運(yùn)行，本文還使用了STK軟件來模擬衛(wèi)星的移動(dòng)軌跡.

為了給仿真環(huán)境提供更為真實(shí)、有意義的移動(dòng)模型，此軌道設(shè)計(jì)采用全球大部分衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)都會(huì)采用的Walker星座布局.此衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)為三層衛(wèi)星模型，包括：三顆高軌衛(wèi)星(GEO、GEO1、GEO2)、三顆中軌衛(wèi)星(MEO1、MEO2、MEO3)、九顆低軌衛(wèi)星(LEO1～LEO9)和三個(gè)位于北京、墨西哥、南非的地面站.為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間的通信和衛(wèi)星和地面站之間的通信，所有衛(wèi)星均可作為發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)和傳輸數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點(diǎn)以及接收數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)，而地面站可作為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，但不作為中繼節(jié)點(diǎn).部分仿真參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示.

表1 衛(wèi)星仿真參數(shù)

Table 1 Satellite simulation parameters

參數(shù)GEOMEOLEO衛(wèi)星數(shù)目/顆339軌道高度/km35786103551400軌道傾角/(°)04552軌道周期/min1440360114軌道數(shù)目/條139星座類型同步軌道Walker deltaWalker delta

為了觀察QPCC-CS策略的通用性，仿真時(shí)會(huì)以Epidemic路由、Prophet路由、MaxProp路由三種不同的路由策略作為底層路由，將此策略應(yīng)用于三種路由策略，同時(shí)不改變原路由算法的發(fā)送機(jī)制，將其進(jìn)行對比.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別從消息投遞率(delivery ratio)、消息傳輸開銷比(overhead ratio)、消息平均延遲(average latency)、緩存使用量(buffer occupancy)四個(gè)方面進(jìn)行對比與分析.

表2 DTN仿真參數(shù)

Table 2 DTN simulation parameters

參 數(shù)數(shù)值鏈路傳輸速率/(kbps)500鏈路最大通信范圍/km41760衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量/個(gè)15高軌衛(wèi)星緩存大小/MB200中軌衛(wèi)星緩存大小/MB20～140低軌衛(wèi)星緩存大小/MB20～140消息數(shù)據(jù)分組大小/MB2～5消息產(chǎn)生時(shí)間間隔/min1～3消息生存時(shí)間/min120仿真時(shí)間/h24地面站節(jié)點(diǎn)傳輸設(shè)置BtInterface衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)傳輸設(shè)置HighspeedInterface移動(dòng)模型設(shè)置ExternalMovement

4.2 性能評價(jià)

對于QPCC-CS策略中臨近擁塞門限值α和擁塞門限值β的設(shè)定，以及消息處理隊(duì)列排序參數(shù)ω的取值，經(jīng)過多次嘗試仿真后，取α=0.35，β=0.15，σ=0.25為最終取值，可以得到最佳的仿真效果.

圖3 消息投遞率隨緩存大小變化圖

圖3為三種原始路由與其加入QPCC-CS后的路由，在只改變節(jié)點(diǎn)緩存的情況下的投遞率對比圖.由圖3可知，三種路由算法在加入了擁塞控制機(jī)制后，其投遞率都有一定提升，并且隨著節(jié)點(diǎn)緩存的增加，QPCC-CS加入后的效果越好.因?yàn)镼PCC-CS策略分類整理了節(jié)點(diǎn)中的消息，限制了消息的盲目轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)避免了消息的盲目丟棄，從而增加了消息發(fā)送成功的概率.

由于其中的對消息的遷移操作，使得將QPCC-CS策略應(yīng)用于Epidemic路由和Prophet路由后，消息傳輸時(shí)延相比原路由策略略微增加，如圖4所示，這是因?yàn)橄⑦w移會(huì)讓消息在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中傳輸?shù)母?，從而在提升了投遞率的同時(shí)，增大了時(shí)延.但將QPCC-CS策略應(yīng)用于MaxProp路由策略后傳輸時(shí)延有了大幅度減小，由于MaxProp路由策略需要根據(jù)計(jì)算的閾值判斷消息發(fā)送隊(duì)列，對于MaxProp路由來說，QPCC-CS策略的加入，給了MaxProp路由算法中更靈活的處理，減小了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)計(jì)算負(fù)擔(dān)，從而減小了消息的傳輸時(shí)延.

圖4 消息傳輸延遲隨緩存大小變化圖

圖5是6種路由策略在路由開銷上的對比.除了MaxProp路由策略與MaxProp.QPCC-CS路由策略在路由開銷上的變化不大，其他兩種路由策略在加入了QPCC-CS策略后，路由開銷都有不同程度的減小.因?yàn)镼PCC-CS策略在緩存的管理上，及時(shí)處理了冗余消息副本，從而減小了節(jié)點(diǎn)傳輸消息時(shí)的開銷.其中Epidemic路由策略在加入了QPCC-CS策略后，開銷的降低最顯著，這是因?yàn)镋pidemic作為使用洪泛將消息發(fā)送出去的路由策略，消息會(huì)在短時(shí)間內(nèi)大量無差別傳輸往各個(gè)節(jié)點(diǎn)，若不使用策略加以限制，大量的消息副本會(huì)擁塞衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，從而增加衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)傳輸開銷.而QPCC-CS策略的加入就像水龍頭一樣限制了流量巨大的水流，對于Epidemic路由策略來說無疑效果是最明顯的.

圖5 網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷隨緩存大小變化圖

以100MB的節(jié)點(diǎn)緩存為例，圖6對比了6種路由策略隨著仿真運(yùn)行時(shí)間的增長，其節(jié)點(diǎn)的緩存使用量的變化.由圖6可以看出，Epidemic路由的緩存使用量在仿真時(shí)間不到80分鐘時(shí)，就超過了80%，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中充斥的大量冗余副本很快地占據(jù)了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中大量空間，但QPCC-CS策略的加入很好的緩解了Epidemic路由衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中的緩存使用量，由圖可以看出Epidemic.QPCC-CS策略在140分鐘時(shí)才剛剛使用了節(jié)點(diǎn)緩存的80%，并且之后的時(shí)間節(jié)點(diǎn)的緩存使用量趨于平穩(wěn)，在之后的仿真時(shí)間中，節(jié)點(diǎn)的平均緩存使用量為80.1%.可以說明QPCC-CS策略可以較好的限制衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)緩存空間的增長速度，控制節(jié)點(diǎn)緩存的使用，均勻衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的流量.

圖6 緩存使用占比隨緩存仿真時(shí)間變化圖

5 結(jié)束語

通過對衛(wèi)星DTN中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的擁塞狀況進(jìn)行分析，本文將擁塞狀態(tài)分為正常、臨近擁塞和擁塞三種狀態(tài)，提出了一種通過不同的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)狀態(tài)對衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中消息傳輸列表進(jìn)行優(yōu)先級排序等操作的策略，簡稱為QPCC-CS.該算法不僅能適用多種不同的路由策略，還能及時(shí)對衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中的消息副本冗余進(jìn)行清除處理，同時(shí)分類的消息優(yōu)先級隊(duì)列豐富了消息傳輸方案，以此解決了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)擁塞問題.該策略在STK軟件和ONE軟件結(jié)合的仿真環(huán)境下，通過其加入了三種不同的路由策略與原路由策略在消息投遞率、傳輸時(shí)延、傳輸開銷、緩存使用量四個(gè)方面對比了性能.通過對比，加入QPCC-CS策略更能很好地解決衛(wèi)星DTN的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，提高了投遞率同時(shí)減小了消息傳輸開銷.本論文在仿真中尚未考慮衛(wèi)星在建立星間鏈路時(shí)的方位指向，因此在今后的研究中可以加入有限的星間鏈路的建立這一限定條件進(jìn)行深入研究.