黃松華，張兆晨，陳 濤，汪霜玲，梁維泰

（1.中國電科第二十八研究所信息系統(tǒng)工程重點實驗室，南京 210007；2.國防科技大學信息系統(tǒng)工程重點實驗室，長沙 410073）

0 引言

機間自組織網(wǎng)絡(luò)是移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在航空平臺通信領(lǐng)域的應(yīng)用，主要通過多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)支撐航空平臺間的自動連接與相互通信，實現(xiàn)指令信息、情報信息與環(huán)境感知信息分發(fā)、飛行狀態(tài)信息交換等軍民航空通信亟待實現(xiàn)的能力［1］。由于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)層提供的是面向無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，也就是說IP 數(shù)據(jù)報傳送會出現(xiàn)丟失、重復(fù)或亂序的情況，因此，在TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中傳輸層就變得極為重要。從可靠傳輸角度，在軍事層面更加及時準確地獲取態(tài)勢信息、指令信息、目標信息，提高時敏目標打擊鏈的傳輸效率［2］；在民事層面，保障航空用戶在飛行過程中的即時通信、流媒體服務(wù)和數(shù)據(jù)共享體驗。當前，機間無線環(huán)境中提供的傳輸帶寬和可靠性遠遠不能滿足眾多基于IP 的新應(yīng)用和服務(wù)的并發(fā)需要，而且延時與誤碼率的時變性可能會導(dǎo)致應(yīng)用體驗較差［3］。

本文在分析移動自組織網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有傳輸模式和挑戰(zhàn)基礎(chǔ)上，提出機間自組織網(wǎng)絡(luò)多傳輸模式及自適應(yīng)方法，在空中高動態(tài)環(huán)境下保障業(yè)務(wù)傳輸可靠性的同時，提升了機間自組織網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸能力。

1 相關(guān)工作

針對移動自組織網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化、鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定、路由頻繁中斷的特點，國內(nèi)外眾多學者對標準TCP 協(xié)議進行了改進，以解決TCP 對數(shù)據(jù)分組丟失或亂序原因的誤判而引起的觸發(fā)慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)機制，避免網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。TCP 改進方案主要有以下幾類：

Ki Baek Kim和Kartik Chandran 等基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)反饋提升傳輸控制協(xié)議性能，處理自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由故障問題［4-5］。與原始TCP 相比，提高了自組織網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，使得TCP 發(fā)送端在路由重建后能夠繼續(xù)以較大的窗口進行分組傳輸。 與TCP-Feedback 機制類似，Harshad B.Prajapati等提出了基于跨層顯式鏈路故障通告（Explicit Link Failure Notification，ELFN）的反饋機制，通過探測分組使得中間節(jié)點能夠與發(fā)送端進行信息的交互，決定TCP 進入待機模式還是正常工作狀態(tài)［6］。在ELFN通告基礎(chǔ)上，為了區(qū)分數(shù)據(jù)分組還是確認分組的丟失，N.Sengottaiyan 等提出了EPLN-BEAD （Early Packet Loss Notification & Best-Effort Ack Delivery，分組丟失提早通告& 盡力傳輸確認分組）機制，減少TCP超時事件發(fā)生，提高移動自組織網(wǎng)絡(luò)的吞吐量［7］。

針對移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的TCP 的改進方案還包括ATCP（Ad hoc TCP）和TCP-BuS（TCP Buffering capability and Sequence information）等［8-9］。前者在發(fā)送端的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間插入此中間層，該中間層監(jiān)聽來自網(wǎng)絡(luò)層的信息，并反饋給TCP，同時通過監(jiān)測接收到的重復(fù)確認分組Acks 數(shù)量來判定信道的優(yōu)劣，以解決路由故障時或高誤碼率環(huán)境下傳輸層性能低下的問題；后者同樣利用網(wǎng)絡(luò)層的反饋信息去檢測路由故障進而采取相應(yīng)的策略，并在路由重建過程中，緩存從源節(jié)點到中間節(jié)點的分組。

此外，為了應(yīng)對認知無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸頻譜切換，有研究人員提出了基于TCP-MAC 跨層的TCP改進協(xié)議TCP-CR（Cognitive Radio），解決頻譜切換導(dǎo)致的TCP 超時重傳和頻繁慢啟動問題，提高信道利用率、傳輸效率和端到端吞吐量［10-11］。

以上方案主要利用網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層這兩層的反饋信息，提出了正確區(qū)分網(wǎng)絡(luò)擁塞、路由失效或鏈路故障等分組丟失原因的方法，通過改進慢啟動過程提高了傳輸效率，然而這些方案需要建立端到端連接，這對于低時延的協(xié)同信息來說產(chǎn)生的延遲過大，而且對于高動態(tài)的空中環(huán)境，很難保證端到端的連接。

針對上述問題，本文綜合跨層感知（需求與丟包原因）、跨層橫向立體直傳、分段握手確認、糾錯等手段，提出了分段可靠、半可靠、高效直傳等多種傳輸模式及其自適應(yīng)方法，滿足低時延、高可靠、大容量等機間自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的不同需求。

2 多傳輸模式

針對機間自組織網(wǎng)絡(luò)鏈路特點和指令、情報、控制等信息傳輸要求，在傳輸層以分段連接為基礎(chǔ)，分別采用不同的握手和確認機制，自適應(yīng)提供分段可靠傳輸、半可靠傳輸、高效直接傳輸?shù)榷喾N傳輸服務(wù)模式。

2.1 傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

為了與基于TCP/IP 的節(jié)點通信，機載網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議應(yīng)能夠與TCP 和U D P 有效地互操作；同時，在機載環(huán)境中，鏈路帶寬有限，高效的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)非常重要。機載網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 機載網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在這個幀結(jié)構(gòu)中，Source port是源端口號，表示發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序的端口號；Destination port是目的端口號，表示接收數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序的端口號；Sequence number是數(shù)據(jù)幀的序號，可以解決數(shù)據(jù)幀到達目的節(jié)點出現(xiàn)亂序的情況；Timestamp 是時間戳；mode 表示當前數(shù)據(jù)傳輸采用的是哪種傳輸服務(wù)模式；HEC 是報文頭的校驗碼，確保在無線信道下報文頭的完整性；payload 是待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；CRC-32 是待傳輸數(shù)據(jù)的校驗碼，用于保證待傳輸數(shù)據(jù)的正確性，在不同的傳輸模式中作用不同。

2.2 分段可靠傳輸模式

分段可靠傳輸模式采用源節(jié)點與目的節(jié)點之間消息分段接收、緩存、確認與斷點續(xù)傳機制，在每跳的下一節(jié)點暫時無響應(yīng)等極端情況下，采用按需機會路由和逐跳的消息確認代替源節(jié)點與目的節(jié)點之間端到端的消息確認，實現(xiàn)確保的傳輸服務(wù)，即傳輸路徑上的下一個節(jié)點收到數(shù)據(jù)后立即向上一跳節(jié)點發(fā)送確認消息，以后消息傳輸?shù)目煽啃詣t由后面的節(jié)點來保證，傳輸過程如圖1 所示。

圖1 分段可靠傳輸模式

其中，各段的連接協(xié)議基于TCP 進行改進，具體如下：1）連接建立請求ASYN 和數(shù)據(jù)同時發(fā)送，無需在源目節(jié)點間完成3 次握手，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時發(fā)送AFIN 信令，逐段拆除連接，以適應(yīng)機間自組織網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性和通信鏈路質(zhì)量的波動性。2）通過跨層感知讓發(fā)送端清楚網(wǎng)絡(luò)的真實狀態(tài)，讓網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層都恰當?shù)貐⑴c網(wǎng)絡(luò)擁塞、路由失效（移動導(dǎo)致路由臨時失效）或鏈路故障等問題的發(fā)現(xiàn)和解決過程。比如在物理層根據(jù)信號強度和節(jié)點距離之間的函數(shù)關(guān)系，節(jié)點通過測量無線信號的強度計算節(jié)點間的距離，根據(jù)節(jié)點間距離的變化來預(yù)測節(jié)點的運動趨勢：當節(jié)點間距離超過某一閾值時，如果傳輸層發(fā)送失敗，就認為是路由中斷導(dǎo)致了丟包；而當節(jié)點間距離在一定范圍內(nèi)時，如果發(fā)送失敗，就認為是隨機誤碼。在網(wǎng)絡(luò)層，當發(fā)送失敗原因為未收到對方應(yīng)答，可以認為發(fā)生路徑中斷；當失敗原因為對方收到分組錯誤，可以認為鏈路質(zhì)量下降，出現(xiàn)誤碼。3）當發(fā)現(xiàn)路由中斷時，發(fā)送端即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，凍結(jié)TCP 當前的各個環(huán)境變量；當發(fā)送端獲知路由恢復(fù)后，利用路由中斷前的各個變量值恢復(fù)數(shù)據(jù)的傳送。4）當鏈路層頻繁出現(xiàn)因誤碼導(dǎo)致的發(fā)送失敗，此時發(fā)送端減速發(fā)送，減輕信道的壓力。5）通過中間節(jié)點緩存和斷點續(xù)傳，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?，適應(yīng)機間自組織網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性。

2.3 半可靠傳輸模式

半可靠傳輸模式采用源節(jié)點與目的節(jié)點之間分段消息發(fā)送、連接建立請求和糾錯機制，極端情況下分段化為逐跳，并通過糾錯機制實現(xiàn)相對確保的傳輸服務(wù)，傳輸過程如圖2 所示。

圖2 半可靠傳輸模式

半可靠傳輸模式的消息及其糾錯碼和連接請求ASYN 同時發(fā)送，ASYN 只發(fā)揮告知對方節(jié)點，作好數(shù)據(jù)接收、檢驗糾錯、中轉(zhuǎn)準備，但無需對方節(jié)點確認；數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后超時拆除單向連接，無需發(fā)送AFIN 信令。

2.4 高效直接傳輸模式

高效直接模式在源節(jié)點與目的節(jié)點之間建立直接鏈路，同時跨層調(diào)用底層的鏈路服務(wù)模式，傳輸層數(shù)據(jù)包直接封裝成鏈路層數(shù)據(jù)包通過直接鏈路發(fā)送，實現(xiàn)近實時的小容量傳輸服務(wù)，傳輸過程如圖3 所示。

圖3 高效直接傳輸模式

為了提高網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，跨應(yīng)用層和傳輸層提供業(yè)務(wù)傳輸需求的感知能力，設(shè)置不同的生命期，并提供“低時延、高可靠、大吞吐量”3 種策略。

1）針對指令信息和文本情報信息，由于量小但可靠性要求高，采用“高可靠”策略，使用分段可靠傳輸模式，把路徑分為相對穩(wěn)定的多個分段，各段內(nèi)采用改進的可靠傳輸模式，保障高動態(tài)環(huán)境下指令信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2）針對圖像和流媒體情報信息，由于量大但對時延要求不高，采用“大吞吐量”策略，使用半可靠傳輸模式，提高機間自組織網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸能力，保障大容量情報信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3）針對控制信息，由于量微但要近實時，采用“低時延”策略，使用高效直接傳輸模式，用鏈路層報頭直接封裝傳輸層數(shù)據(jù)包，再通過大功率鏈路直傳方式，減少路由轉(zhuǎn)發(fā)帶來的時間開銷，保障控制信息傳輸?shù)臅r效性。

3 對比分析

3.1 定性分析

機間自組織網(wǎng)絡(luò)的多模式傳輸方法與TCP 傳輸體制對比如表2 所示。

表2 多模式傳輸體制與TCP 傳輸體制的對比

從表2 可以看出，本文提出的多模式傳輸方法相對傳統(tǒng)的TCP 傳輸方法傳輸效率更高，對空中高動態(tài)無線環(huán)境，以及空中多種業(yè)務(wù)的適應(yīng)能力更強。

3.2 定量分析

基于OPNET 14.5 仿真平臺，開發(fā)機間自組織網(wǎng)絡(luò)多模式傳輸仿真軟件。通過仿真試驗驗證傳輸方法有效性，并與傳統(tǒng)的TCP 傳輸協(xié)議進行對比分析，證明多模式傳輸方法的有效性。

3.2.1 多模式傳輸有效性分析

主要測試在不同鏈路質(zhì)量條件下的丟包率和占用帶寬。仿真場景設(shè)置鏈路誤碼率范圍0.1%～5.0%；分組最大允許時延300 ms（超過300 ms分組即失效，直接丟棄）；單向網(wǎng)絡(luò)時延設(shè)50 ms~75 ms，即可支持重傳一次或兩次。

測試用例分組來自節(jié)點1 和節(jié)點2 之間持續(xù)時間200 s的雙向語音通話，在節(jié)點1 和節(jié)點2 之間插入轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點3，并配置其為中繼節(jié)點。語音使用G.711a 編碼，以4 ms 間隔發(fā)送，每個語音分組長度為84 Byte。表3 列出不同鏈路誤碼率和時延條件下單向語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。從? 可以看出，在機間自組織網(wǎng)絡(luò)動態(tài)分段傳輸過程中，多模式傳輸可以有效降低鏈路質(zhì)量波動導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)丟包率，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

表3 單向語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?/p>

3.2.2 多模式傳輸與T C P 對比分析

在同樣的環(huán)境仿真測試多模式傳輸和標準TCP在不同丟包率條件下的吞吐量表現(xiàn)。仿真場景設(shè)置鏈路丟包率范圍為0.1%～5.0%，采用TD M A 方式分配4 Mb/s的通信信道，即500 kB/s。測試用例分組來自2 個節(jié)點間的50 Mb 文件傳輸，測試結(jié)果如下頁表4 所示。從表4 可以看出，在鏈路質(zhì)量變差或波動時，多傳輸模式的吞吐量遠高于傳統(tǒng)的TCP 傳輸模式。

4 結(jié)論

機間自組織網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求多樣，業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障面臨著網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)時變、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息不精確、鏈路質(zhì)量波動等挑戰(zhàn)。本文首先分析機間自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸方法研究現(xiàn)狀，然后綜合跨層感知（需求與丟包原因）、跨層橫向立體直傳、分段握手確認、糾錯等手段，提出基于業(yè)務(wù)分類的機間自組織網(wǎng)絡(luò)多傳輸模式及其適應(yīng)方法。與傳統(tǒng)的TCP 改進方案相比，本方法在滿足小容量低時延、大容量低抖動、高可靠業(yè)務(wù)信息傳輸需求的同時，提升了機間自組織網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸能力，增強了空中通信的可靠性和穩(wěn)定性。

表4 多傳輸模式和標準TCP 測試結(jié)果