26
卷Vol.26 第
20
期No.20
第
DTN
空间
Electronic Design Engineering
电子设计工程
CGR
网络
路由算法综述
2018
10
Oct. 2018
年
月
100049
DTN
)
1
,
2
100190
2.
,姚秀娟
;
1
中国科学院大学 北京
(
张博文
中国科学院国家空间科学中心 北京
1.
DTN
Delay Tolerant Network
CGR
CGR
(
(
DTN
CGR
CGR-EB
摘要:
算法研究也显得愈发重要。其中,
要发展方向之一。本文概述了
在三种主要的
法计算量考虑的
较了这三种改进算法的优缺点以及应用场景,指出了目前
由算法未来的研究方向做出预测。
关键词:空间网络;
中图分类号:
网络;接触图路由;路由算法
文献标识码:
TN927
)路由算法是
Contact Graph Routing
)网络通信已经成为当前的研究热点,因此基于
网络的路由
网络路由算法的主
路由算法基本原理,针对该算法中存在的问题介绍和分析了现
路由算法,基于路由算
路由算法。分析比
路
ECGR
CGR-ETO
路由算法还存在的不足并对
路由算法改进方向:基于路由算法安全性考虑的
路由算法以及基于数据包传输时间优化的
20-0082-06
1674-6236
文章编号:
2018
CGR
CGR
DTN
A
(
)
Overview of CGR routing algorithms in space delay tolerant network
1
(
ZHANG Bo⁃wen1
2
,
,
YAO Xiu⁃juan1
100190
100190
2
,China;
.University
.National Space Science Center,the Chinese Academy of Sciences,Beijing
(
)
)
,
,China)
of Chinese Academy of Sciences,Beijing
(
,
Delay Tolerant Network
routing algorithm research of DTN become more important. Among them
CGR- ETO
Abstract: DTN
network communication has become the current research
focus
therefore
CGR
Contact Graph Routing
algorithm is one of the main developmental direction. This paper summarizes
the principle of CGR algorithm. Three improved algorithms
are
introduced and analyzed for the weakness of the CGR algorithm. This paper gives a comparison of these
improved algorithms strengths
this paper pointed out the
shortcoming of CGR routing algorithm and forecast the future research directions of the CGR routing
algorithm.
Key words: space network
weakness and application scenario. Finally
Delay Tolerant Network
contact graph routing
routing algorithm
CGR- EB
ECGR
,
(
,
,
)
,
,
;
;
;
伴随着通信技术的发展,通信场景愈发丰富,出
现了许多新兴网络,包括空间通信网络、传感器网
络、移动车载网、战术通信网、乡村通信网络等。与
传统网络环境相比,这些场景的网络环境有着时延
大、传输误码率高、端到端连接状态不稳定等特点。
)的 下 属
Internet Research Task Force
Delay Tolerant Networking Research
DTN
Delay Tolerant Network
DTN
(
[1]
)网 络 协
网络协议在传输层与应
),并 采 用 存
转发的路由机制,通过将数据存储在当前节点等
议以解决此类问题
用 层 之 间 添 加 了 捆 绑 层(
储
2003
Group
IRTF
DTNRG
Bundle Layer
)提 出 了
(
(
组 织
年 ,
-
。
201712166
稿件编号:
2017-12-29
1993
收稿日期:
作者简介:张博文(
- 82
-
[2-3]
(
。
提 出 了
DTN
CGR
2008
基于
)路 由 算 法
待的方式来应对网络中断问题
年,美国航空航天局
NASA
Contact Graph Routing
Contact Plan
CGR
Contact Graph
CGR
网络
[4]
。
路由算法利用空间网络节点的周期性,通过各
)生成接触图
传输节点已知的接触计划(
),再 根 据 生 成 的 接 触 图 决 定 数 据 的
(
传输路径。
路由算法因其占用存储资源和计算
资源较少的优势,成为了空间网络通信领域的研究
热点
路由算法在路径选择、计算传输
时间等方面还存在着一些待改进的问题,仍有进一
步优化的空间
CGR
。然而
[8-11]
[5-7]
。
文 中 将 简 要 介 绍
路 由 算 法 的 实 现 原 理 以
CGR
DTN
—),男,北京人,硕士。研究方向:深空通信技术、
网络。
张博文,等 空间
DTN
网络
CGR
路由算法综述
xmit
origin
列表通过接
接收节点为节点的接触信息得到。
触开始时间进行排序。
列表,每个列表包括发
送节点号与该节点到节点的当前距离,列表数据通
过距离信息得到
[16-17]
。
)。表
一旦生成了接触图,
CGR-FBP
CRP
CGR-CRP
D
路由算法会分为两部
)和消息转
分流程,分别为接触检查过程(
展示了这两个流程中所使
发过程(
列表
用的变量。
的开始时间、预
中每一个接触信息
计消耗容量等参数进行判定,如果参数符合要求则
可将节点
列出了
加入到可转发节点列表中。表
的流程通过检查节点
对接触信息
xmit
m
m
2
的
D
CGR-CRP
CGR
1
流程的伪代码。
表 1 CGR 路由算法变量定义
初始值
描述
CGR
ECGR
及
题介绍和分析
法:
种基于
路由算法、
路由算法的优缺点。针对该算法存在的问
路由算法做出的改进算
CGR
3
CGR-
路由算法以及
路由算法。通过分析比较这
种改进算法的优缺
种 算 法 做 出 评 估 。 最 后 对
点 以 及 应 用 场 景 对 这
CGR-ETO
3
3
EB
CGR
路由算法的发展做出展望。
1 CGR 路由算法
CGR
NASA
路由算法是由美国航空航天局
喷气
推进实验室针对空间通信网络具有周期性和确定性
的特点所提出。该算法通过通信节点间链路的预先
规划以及周期性,根据网络中各节点之间的接触计
划生成接触图。当通信节点有消息发送时,
算
法将分析这个接触图并计算出生成下一跳节点的集
合,然后在集合中选择传输路径。当数据到达下一
算法将在下一跳节点继续运行这个
跳节点时,
流程
路由算法可
以有效利用空间通信网络节点间的通信机会。
。与其他路由算法相比,
CGR
CGR
[12-15]
CGR
CGR
所示。
UTC
路由算法的整体流程如图
Range Message
算
法首先通过接触计划生成接触图。接触计划信息分
为两个部分,接触信息(
)与距离信息
(
)。接触信息用来描述给定时间间隔
内两个节点间的数据传输速率。每个接触信息包含
以下内容:开始
时间、发送节点、
接 收 节 点 以 及 发 送 节 点 到 接 收 节 点 的 计 划 传 输 速
率。距离信息用来描述给定时间间隔内两个节点间
的距离。每个距离信息包含以下内容:开始
时
时间、发送节点、接收节点以及发送节
间、终止
点到接收节点的预期距离。
时间、终止
UTC
UTC
UTC
CGR
1
Contact Message
1 CGR
图
路由算法流程图
每个节点根据完整的接触计划建立自己的接触
图数据结构,接触图在每个节点本地建立,并对每个
其 它 节 点 建 立 两 个 链 表
列 表 :
列表,每个列表包括接触开始时间,接触停止时
间,发送节点号和数据传输速率,列表数据通过所有
origin
列 表 以 及
xmit
xmit
变量名B
B
DESTX
D
D
TRANSMITS
PDTD
PND
D
m
ExclNodes
m
m
STARTTIME
ENDTIME
m
TRANSMITNODE
m
RESCAPN
ND
ProxNodes
PDT
T
B
DEST{}
∞
0
{}
0
{}
0
被传输的数据包
数据包的目的节点
数据包的终止时间
数据包的下一跳节点
接收节点为
的接触
D
B
B
D
D
到达
到达
的最早时间
的最少条数
被排除节点集合
接触图中的接触信息
接触
接触
的开始时间
的结束时间
m
m
m
m
通过接触
传输的节点
接触
的剩余容量
将会转发数据包的本地节点
转发数据包的期望跳数
与本地相邻且可转发数据包的节
点集合
预测数据包最早传输时间
m
B
通过
发送
的最晚时间
CGR-CRP
CGR
可以看到,
流程的作用是得到能够转
发数据包的邻居节点的集合,然后通过
最佳路
径选择标准来选择路径并进行转发。如果是在地球
轨道卫星通信环境,最佳路径选择标准应为数据包
传输延迟最小路径。如果是在深空通信环境,通信
机 会 远 比 几 分 钟 或 是 几 小 时 的 传 输 延 迟 要 重 要 得
多,数据包要在自身生存时间内到达目的地,最佳路
径应将最早失效时间作为路径选择标准,将接触效
用最大化。
在 结 束
流 程 后 ,消 息 传 输 进 入
CRP
FBP
ProxNodes
流 程 。
中的每个节点都是
此时,可转发节点列表
- 83
-
2018
《电子设计工程》
20
期
年第
通过上述的
CGR
CGR
路由算法流程可以看到,
DTN
CGR
路由算法是一种基于先验知识的
网络路由算
法。这种路由算法在周期性应用场景中比其他类型
的路由算法要更少地占用存储资源以及计算资源。
但是,
路由算法仍有一些问题亟待解决,例如:
在路径选择算法中并未考虑路由环路的情况;计算
传输时间时未计入数据包的排队延迟;传输路径选
择算法计算量较大。为此,出现了许多基于
路
路由算法做出进
由算法的改进算法致力于对
一步的优化。
2 CGR 路由算法改进
2.1 ECGR 路由算法
CGR
CGR
CGR
CGR
Dijkstra
CGR
为了提升
路及路由震荡现象的发生,文献
法 的 基 础 上 提 出 了
[18]
ECGR
ECGR
Routing
(
路由算法的安全性,避免路由环
路由算
Enhanced Contact Graph
在
[18]
CGR
CGR
。
)路 由 算 法
路 由
路 由 算 法 与
)在深空通
算法相比,主要作出了以下两点的改进:
信场景下,将最佳路径选择标准由最早失效时间改
为最早到达时间(
)在路径选
择中使用
Earliest Arrival Time
最短路径算法。
);
1
2
CGR
ECGR
路由算法中并没有考虑到路由算法的安全
性问题,由于
路由算法采用的路径选择标准是
传输数据包的最早失效时间,而数据包的最早失效
时间并不是单调递增或单调递减的度量单位,所以
路由算法可能会产生路由环路以及路由震荡的
情况。在
路由算法中用最早到达时间代替最
早失效时间作为最佳路径选择标准正是因为最早到
达时间为单调递减度量单位,能够保证不会产生路
由环路以及路由震荡。此外,选择最早到达时间作
为 路 径 选 择 标 准 可 以 在 路 径 选 择 过 程 中 使 用
最短路径算法
路由
路由算法的时
可以有效地减少时间复杂度。根据文献,
算法的时间复杂度为
V
间复杂度为
Dijkstra
ECGR
最短路径算法。使用
Dijkstra
CGR
VE+
O
(
路由算法解决了
路由算法中存在的
路由算法安全性问题,有效阻止了路由环路以及路
由震荡现象的发生。当前
路由算法已经加入
到
2.2 CGR-EB 路由算法
路由算法的最新方案中。
CGR
基 于 减 少 节 点 计 算 量 的 考 虑 提 出
CGR-EB
CGR
了
路 由 算 法 。
路 由 算 法 在
[19]
CGR-EB
文 献
(
),而
O
V!
2 logV )。
CGR
ECGR
ECGR
表 2 CGR-CRP 伪代码
CGR-CRP
ENDTIME
TRANSMITS
TransmitNode
伪代码
STARTTIME ≤ T)
CGR-CRP(D,X,B,ExclNodes)
Store(PDT,ND)
ExclNodes ← ExclNodes∪{D}
foreach m ∈ D
T←Last_moment(m,B,X)
if(current_time ≤ T)&&( m
if D ==B
DEST then PDT ←m
S ← m
if S == N
If m
RESCAP ≥ ECC(B,X)
if D ∈ ProxNodes
if PDT ≤D
D
PDT ← PDT
D
PND ← MIN[D
else
ND ←D
PDT ←D
ProxNodes ← ProxNodes∪{D}
elseif S ∉ ExclNodes
PDT ← MIN[PDT, m
L ←m
ENDTIME -LENTENCY(B,m)
SND ←D
PND +1
ND ← ND+1
CGR-CRP(S,MIN[T,L],B, ExclNodes)
PND ,ND]
ENDTIME ]
PND
PDT
PDT
ExclNodes ← ExclNodes - {D}
Restore(PDT,ND)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
可以转发数据包的相邻节点,可通过其中一个节点
将 数 据 包 向 目 的 节 点 转 发 。 表
流程的伪代码。完成了
转发到下一节点,
续运行整个流程。
流程后数据包将
路由算法将在下一跳节点继
CGR
CGR-FBP
3
FBP
CRP
列 出 了
和
表 3 CGR-FBP 伪代码
CGR-FBP
伪代码
CGR-FBP(B)
CGR-CRP(BDEST , BEXPIRATIONTIME,B,ExclNodes)
if ProxNodes ≠ {}
if BPRIORITY == Critical
foreach N ∈ ProxNodes
transmit B to N
N ← POP(SORT_NODES(ProxNodes))
transmit B to N
else
else
No route error
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
- 84
-
张博文,等 空间
DTN
网络
CGR
路由算法综述
路 由 算 法 的 基 础 上 增 加 了 扩 展 块 编 排 到 数 据
包 里
[19-20]
。CGR-EB
CGR-EB
路由算法中将网络的路径信息作为扩
展块编排到数据包里,在数据包的传输过程中节点
根据扩展块信息对本地节点信息进行验证。如果信
息没有发生变化,则不需要重新对消息转发路径进
行计算,扩展块会被省略,节点处理数据包的方式与
路由算法中相同。只有当发现接触发生变化时
算法有效地在资
节点才会重新计算路径。
源 受 限 的 环 境 中 减 少 了 路 由 路 径 选 择 计 算 的 复 杂
度,从而减少了节点的计算量。
CGR-EB
CGR
路由算法可以分为两个阶段,构造扩
CGR-EB
4
列出了
CGR
CGR-EB
展块以及路径评估。构造扩展块阶段中,
收集接触图中的数据包转发路径的数据,并将数据
编码成为扩展块。表
路由算法使
用路由消息编码的扩展块信息。虽然接触的距离信
息也是
路由算法中一个重要的考虑因素,但它
不作为扩展块的一部分在网络中转发。路径评估阶
段中,当一个节点接收到一个包含扩展块的转发消
息时,它必须评估扩展块内容的有效性,然后决定是
否承认该路径,以利于自己的路由计算。评估方法
是通过比较增量误差与每个节点所配置的阈值。如
果误差超过阈值,则节点上的接触与正在评估的特
定属性的扩展块中编码的接触不匹配。
CGR-EB
1
2
CGR
CGR
路由算法扩展块的信息验证流程总结
)根据当前节点的接触计划检查下一节点的
如下:
路由算法
接触是否可靠。如果不可靠,则执行
扩展块更改
中的路径选择流程生成新的路径,
为新的路径信息。
)如果接触可靠,则对传输速率、
预计容量消耗等信息进行验证。同样,如果信息存
在太大差异,则执行
路由算法中的路径选择流
扩 展 块 更 改 为 新 的 路 径 信
程 生 成 新 的 路 径 ,
息。将扩展块编排到数据包里的改进使
路
由算法可以很大限度的减少计算的复杂度,更好地
应对通信网络环境中出现的异常状况。
CGR
CGR
CGR-EB
2.3 CGR-ETO 路由算法
[21]
CGR
Contact Graph
CGR-
文献
针对
路由算法提出了一种基于最
[21]
)
早 传 输 机 会 的 接 触 图 路 由 算 法(
Routing Earliest Transmission Opportunity
ETO
CGR
,
。在
路由算法中假设数据包在接触开
始时立即发送,并没有将数据包传送的排队延迟计
算在内,而是假定消息可以在接触的开始时刻立即
发送。在
路由算法中,通过队列信息,为
每 次 接 触 增 加 一 个 与 优 先 级 相 关 的
CGR-ETO
Earliest
ETO
Transmission Opportunity
(
)参数从而更准确地计算数
据包的传输时间。
ETO
ETO
ETO
ETO
参数定义为按一定优先级转发数据包的最
参数与数据包的优先级相关,不同
早可行时间,
优先级的数据包对应不同的
参数的
取值范围为开始接触时间到结束接触时间,不同优
先级
参数的初始值都是开始接触时间。在接触
图的遍历过程中,不同于
算法用
时间。
参数替代最早失效时间去计算最早到达
ETO
ETO
CGR-ETO
路由算法,
CGR
参数。
CGR-ETO
ETO
ETO
CGR-ETO
当数据包在传输队列中等待时,
ETO
CGR-ETO
算法
会计算数据包的预计容量消耗,通过预计容量消耗
除以传输速率计算得到数据包的预计传输时间。然
后将该数据包的预计传输时间作为排队延迟加到之
信息或当前时间上(以较晚者为准),
前预计的
所有等于或低于该数据包优先级的数据包
信息
都会被更新。之后
路由算法会遍历接触
计划使用
假如
算法在每次数据包转发时都修
改接触计划中的排队延迟,将会对通信系统造成很
大的计算成本。为了减少这种计算成本,
算法设置了接触计划更新阈值,阈值的表示方式为
接触持续时间的百分比。 例如,如果接触持续时间
%,则直到自
为
上次计算以来
秒本地节点才会重
新计算最佳路线。
信息来决定最优的消息传输路径。
,接触计划更新阈值设置为
CGR-ETO
1 000 s
增加超过
ETO
100
10
表 4 CGR-EB 扩展块内容
参数ND
Contact[i].startTime
Contact[i].endTime
Contact[i].resCap
Contact[i].rate
Contact[i].rxNode
描述
i
i
编码路径的网络距离
路由中第
路由中第
第
第
次接触的开始时间
次接触的结束时间
次接触的预计剩余容量
次接触的预计数据速率
i
i
EID
第
次发送的数据包
i
CGR
[22]
CGR-ETO
Overbooking Management
因为空间网络环境中数据的传输时间和传输速
率有限,所以
路由算法在每次节点间接触所能
传输的容量有限,存在接触超额预定的问题。文献
路由算法的超额预订管理
(
路 由 算 法 中
)去 解 决
接触超额预订的问题
路由算法在每次接触
前会检查是否有足够的剩余容量,当转发较高优先
提出了基于
CGR
CGR
。
[22]
- 85
-
2018
《电子设计工程》
20
期
年第
CGR-EB
在通信网络节点计算能力有限的条件下,与另外两
种路由算法相比
路由算法将更加适合。当通
信网络节点计算能力强的情况下,使用
路由
算法的消息传输表现将会优于其他两种路由算法。
3 发展方向
CGR-ETO
CGR
DTN
CGR
路 由 算 法 作 为
网 络 路 由 算 法 的 研 究
热点之一,在近些年也得到了长足的发展与进步。
以上几种改进算法使
路由算法在安全性、计算
量和时间预估等方面都有所改善。但目前
路
由算法在拥塞控制以及算法的实际应用场景这两个
方面还存在不足。下面将结合
路由算法的的
特点,分析
路由算法在拥塞控制领域和应用场
景仿真领域的发展。
CGR
CGR
CGR
CGR
级的数据包时,因为数据包优先级的关系,会故意忽
略优先级较低的捆绑包。如果接触已经被低优先级
数据包预订,这就会导致接触的超额预订。
CGR-ETO
改进算法中有别于
路由算法计
算剩余容量时仅考虑具有相同或更高级的数据包,
而 是 不 考 虑 数 据 包 的 优 先 级 计 算 接 触 的 总 剩 余 容
量,根据总剩余量大小,做出不同的数据包转发决
策。如果接触的总剩余量为正数但小于预计容量消
耗,属于部分超额预订。超额预订处理机制为从最
低优先级队列中的最后一个数据包开始重新转发。
如果接触的总剩余容量是负值,为全部超额预订。
超额预订处理机制为从为接触计划的最后一个数据
包开始重新转发。
2.4 改进算法应用场景比较与评估
3
CGR-EB
通过上述
ECGR
改进算法的侧重点有所不同。
种改进算法的介绍,可以看到每种
路由算法与
路由算法相比,在传输的数据包中加入了扩
展块,扩展块只有在每次消息转发路径需要更改时
才会被调用用来帮助通信系统选择消息包转发的最
优路径。通过引入扩展块,
路由算法处理
每个数据包所调用路径计算过程的次数降低,从而
有效减少了每个通信节点对于转发路径选择的计算
量。此外,在端到端延迟以及投递完成率这两个指标
上,增加扩展块并不会带来什么明显的影响,
CGR-EB
CGR-
EB
ECGR
路由算法与
路由算法并没有较大差别。
CGR-ETO
路由算法。此外,因为
在传输数据量较少的场景下
CGR-ETO
ECGR
路由算
法无法体现其优势。因为在数据量较少的情况下接
触计划很少发生传输时间重叠的情况,从而很少出
现排队延迟的情况。但随着通信网络中传输数据量
的增大,接触计划产生重叠的频率也随之增加,此时
路由算法的端到端延迟情况会明显优于
路由算法没有考
虑数据传输的排队延迟无法充分利用通信链路,所
以 在 通 信 网 络 中 传 输 数 据 量 较 大 的 情 况 下 ,
的 投 递 完 成 率 也 不 及
路 由 算 法 。 然 而
路由算法需要在每次转发过程中重新计
算接触计划中的排队延迟,所以与
路由算法
相比
路由算法会给通信系统增加一定的
计 算 量 ,具 体 增 加 的 计 算 成 本 取 决 于 不 同 场 景 下
CGR-ETO
CGR-ETO
CGR-ETO
ECGR
ECGR
ECGR
ETO
路由算法设置的
CGR-ETO
参数更新阈值。
CGR-EB
可以看到,
路由
路由算法都有着更明确的应用方向。
路由算法与
CGR-ETO
ECGR
-
算法较
- 86
1
2
CGR
)路由算法中的拥塞控制方法
当 前
DTN
路 由 算 法 还 缺 少 对 通 信 网 络 的 拥 塞
控制。与其他通信网络环境相比,
网络环境节
点存储空间以及计算能力有限,容易导致节点的剩
余容量不足,从而影响到消息在网络中的路径选择
以及通信效率。因此,在
路由算法中加入节点
拥塞控制机制,例如为节点预留缓存空间、当节点资
源将要用尽时优先传输优先级较高的数据包、将节
点信息转发到资源较为充裕的其他节点上,从而避
免通信网络发生拥塞。
CGR
)真实应用场景仿真
当 前 的
CGR
CGR
CGR
路 由 算 法 研 究 大 多 建 立 于 虚 拟 的
路由算法改进算法缺
太空通信场景中,研究的
路由算法研
少对现实应用场景的仿真。随着
究的进一步深入,尝试对当前太空中真实的网络通
信环境进行仿真,验证
通
信网络中的效果以及可实施性,应当作为之后的研
究重点之一。
4 结 论
路由算法在真实
CGR
DTN
CGR
CGR
文中对
ECGR
路由算法以及当前
路由算法
的改进算法进行了分析和介绍,其中包括对路径选
择做出改进使用最早到达时间替代最早失效时间的
路由算法、考虑数据包排队延迟并且提出超
额预订管理的
路由算法以及对路径消息
进行编码生成扩展块的
路由算法。在通信
网络节点计算能力有限的条件下,
路由算
法优势较为明显。当通信网络节点计算能力强的情
CGR-ETO
CGR-EB
CGR-EB
GR-ETO
CGR
,
,
,
,
,
,
)
(
,
,
,
,
CGR
[3] C Caini
Torgerson L
况下,
路由算法的消息传输表现最佳。本
文在对
路由算法发展现状做出总结的同时,也
对该领域的未来发展方向进行了展望,指出
路
由算法的拥塞控制以及在实际场景中的应用将会是
未来的研究趋势。
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Hooke A
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