DTNv6实现和空间网络缓存机制的研究

摘要

空间通信环境高时延、高中断的网络特性使得在陆地上广为使用的TCP/IP体系毫无用武之地。目前，国际上主要采用延迟容忍网络(Delay Tolerant Network，DTN)来应对空间网络复杂的通信环境。
　　延迟容忍网络是一种设计在复杂网络环境中进行有效通信的网络协议框架，为用户在具有长时延、高误码率、连接频繁中断等特征的异构网络中提供通信保证，满足复杂环境条件下建立互联互通网络的需求。现在主流的DTN实现方案是由美国国家航空航天局喷气推进实验室设计实现的ION(Interplanetary Overlay Network)软件。ION从软件层面上实现了DTN协议框架，但是ION在编写时并未支持IPv6协议，同时存在着数据重复传输等问题，并未最大化利用空间网络中有限的链路资源。
　　本文以国家863计划课题“未来一体化网络关键技术和示范”(NO.2015AA015702)为依托，对ION软件进行了升级优化，使其支持IPv4/IPv6双栈网络协议传输。同时，设计并实现了协议网关，使得在一体化网络上地面域与空间域数据能互联互通。在此基础上，本文对空间网络环境下缓存机制进行了相关研究。
　　本文首先分析了DTN网络体系结构，介绍了一些主要的汇聚适配层协议:LTP协议(Licklider Transmission Protocol)、TCPCL协议(TCP Convergence-Layer Protocol)、UDPCL协议(UDP Convergence-Layer Protocol)。然后分析了ION软件的整体架构，从ION源代码出发阐述了如何将ION进行优化后应用在IPv6场景中。基于一体化网络连接空间网络和地面网络的需求，设计了协议网关，转换空间域DTN数据包和地面域UDP数据包。接着针对修改后的ION软件，设计了一个简单的实验场景验证了几个主要的汇聚适配传输层协议报文的完整性;针对一体化网络传输，设计了一个空间域和地面域联合传输的实验场景验证ION以及协议网关的功能。
　　随后，本文阐述了一些当前互联网络中几种比较常用的缓存替代算法，LRU算法、LFU算法、ARC算法。分析比较了它们的优劣。然后从成本角度分析了一个缓存替代算法的有效性。随后，针对空间网络环境的链路特点，基于ARC算法的一些思想提出了一个缓存替代算法，来更有效地利用空间网络的传输。在综合了ION和现有互联网缓存替代算法的基础上，本文设计了一个适用于空间卫星网络的缓存服务器。缓存服务器分为三个模块，数据传输模块基于前述IONv6设计，负责空间网络中基础数据的传输;业务处理模块采用针对多线程情况下优化的线程模型和内存管理模型，负责对文件请求的处理、转发和缓存;隧道转发模块基于Linux Tun/Tap设备设计，主要用于对前述两个模块中数据进行通信。
　　最后，为了分析和验证空间网络缓存服务器的有效性，本文在基于未来一体化网络仿真平台上建立了以“全球星”卫星系统为基础的模拟场景，在该场景上对空间网络缓存服务器的性能进行了测试。实验证明，该空间网络缓存服务器相比于原有的ION数据传输有一定的性能优势。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 天地一体化信息网络研究现状

1．2．2 缓存替代算法研究现状

1．2．3 空间网络缓存应用现状

1．3 论文的主要工作

1．4 论文的组织结构

2 DTNv6的设计与实现

2．1 延迟容忍网络概述

2．1．1 LTP协议

2．1．2 TCPCL协议

2．1．3 UDPCL协议

2．2 ION软件概述

2．3 系统设计思想

2．3．1 IONV6设计

2．3．2 协议网关设计

2．4 基于ION的DTNv6的实现

2．4．1 IONv6技术实现

2．4．2 协议网关技术实现

2．5 DTNv6实验验证

2．5．1 汇聚适配层协议完整性测试

2．5．2 一体化网络实验验证

2．6 本章小结

3 空间网络缓存算法设计

3．1 空间网络环境分析

3．2 缓存替代算法分析

3．2．1 最近最少使用算法

3．2．2 最不经常使用算法

3．2．3 自适应替代缓存算法

3．3 空间缓存算法优化设计

3．3．1 缓存成本分析

3．3．2 目标价值函数分析

3．3．3 算法实现

3．4 本章小结

4 空间网络缓存服务器设计实现

4．1 缓存服务整体架构

4．1．1 数据传输模块

4．1．2 隧道转发模块

4．1．3 业务处理模块

4．2 线程调度模型

4．2．1 POSIX线程模型

4．2．2 缓存服务器线程模型

4．2．3 性能对比测试

4．3 内存管理模型

4．3．1 传统服务器内存池策略

4．3．2 缓存服务器内存池策略

4．3．3 性能对比测试

4．4 本章小结

5 空间网络缓存性能评估

5．1 基础实验环境介绍

5．2 实验场景模型

5．3 实验测试详情

5．3．1 缓存有效性测试

5．3．2 缓存性能对比测试

5．3．3 缓存算法对比测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集