Delay/disruption tolerant networking (DTN) 与deep-space communications中的数据存储问题

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来源
abstract
intro
BP运行及Bundle节点概述
具体细节
- custody transfer

来源

https://www.pismin.com/10.1109/twc.2015.2394397

背景：考虑到深空通信的高时延和易发生中断的特性，为了保证通信的可靠性，DTN采用了捆绑协议 (BP) ，即利用存储转发以及 custody transfer机制，每个发送节点将文件保存在内存中（本文中为磁盘存储），直到下一个节点确认其成功接收。该过程中，高内存占用限制了其他 DTN 功能，该论文对DTN网络中内存的动态利用进行了建模。

abstract

延迟/中断容忍网络 (DTN) 被提议作为一种端到端网络架构，在压力通信环境中和/或通过压力通信环境提供文件传送服务。 DTN 的捆绑协议 (BP) 利用众所周知的存储转发机制以及托管传输选项，其中节点同意将文件保存在内存中（本文中为磁盘存储），直到下一个节点确认其成功接收。节点。内存占用的变化限制了其他 DTN 功能可用的内存量。表征文件传输期间 BP 的内存动态至关重要。在本文中，我们研究了典型的基于中继的深空通信系统中文件传输的 BP 操作中的内存变化动态和传输性能，该系统具有多个数据源节点、极长的信号传播延迟和有损数据具有对称和非对称信道速率的链路。建立分析模型来估计内存变化动态和表征深空 BP 传输的总文件传输时间（和有效吞吐量）。通过使用测试台运行文件传输实验来验证模型。

intro

延迟/中断容忍网络 (DTN) [1] 被提议作为一种端到端网络架构，在深空等充满挑战的网络环境中和/或通过该环境提供通信服务。它被美国国家航空航天局（NASA）认为是实施深空通信最合适的技术之一[2]。它还被作为地球轨道卫星通信和网络的替代解决方案引入[3]、[4]。 DTN 通信严重依赖捆绑协议 (BP) [5]，该协议使用众所周知的存储转发方法和可选的托管传输来构建覆盖网络。在[6]中，Bezirgiannidis 等人。提出了一种使用接触图路由（CGR）计算算法来估计空间网络中捆绑包传递时间的方法。 BP 采用持久存储（本文中称为内存）来保留数据包，以承受端到端文件传输中可能遇到的链路中断和极长的链路延迟。通过这种方法，网络节点同意将称为捆绑包的 DTN 可变长度协议数据单元 (PDU) 存储在内存中，直到端到端路径中的下一个节点确认其成功接收。

与地面互联网相比，网络数据存储的内存消耗在深空通信中是一个特别重要的问题，因为空间资源的成本过高，并且数据包保留在存储中的时间间隔可能很长。可用内存可能不够充足，并且除了确保消息传递之外还需要用于多种用途。至关重要的是，用于网络数据存储的内存不会被数据单元占用超过必要的时间，也不会超过预期的时间。一条链路上的传输停止而另一条链路上的接收继续进行可能导致内存耗尽。这反过来可能会导致消息丢失，可能需要在原始源节点进行耗时的重传，这会降低整体网络性能，甚至可能威胁任务的成功。

考虑到 BP 包从内存中释放的限制以及 BP 对持久内存的高度依赖，在数据传输（特别是文件传输）中准确描述 BP 内存占用和释放的动态特征至关重要。未来的深空任务。在本文中，我们研究了在假设的基于中继的深空通信系统上使用 BP 进行文件传输的内存变化动态和传输性能，该系统的特点是多个数据源节点、极长的信号传播延迟和有损。具有对称和非对称通道速率的数据链路。建立了一个分析模型来估计深空 BP 传输带来的内存占用和释放的动态。还建立了模型来评估BP的传输性能，主要是文件传输时间和吞吐量。通过使用测试台运行文件传输实验来验证模型。这些是本文的主要贡献。

BP运行及Bundle节点概述

图1描绘了一般的BP架构和协议栈，表明了BP在标准协议栈中的位置。如图所示，BP 在子应用程序“捆绑”层运行，提供端到端数据交付服务，同时允许像 IP 一样跨高度异构网络进行互操作。 BP 使用“本机”互联网协议在组成的互联网（如图 1 中的网络 A 或网络 B）内提供通信服务。公共捆绑协议和特定低层协议套件之间的接口称为“汇聚层适配器”（共轭亚油酸）。通过 CLA，BP 在每个本地互联网首选数据传输协议之上运行。这使得 BP 变得灵活，允许驻留在不同类型网络中的节点互连。

捆绑节点（或简称 DTN“节点”）是可以在 DTN 中发送和/或接收 BP 捆绑的任何实体。图 1 还显示了束节点内 BP 处理组件的概念表示。如图所示，每个捆绑节点主要包含三个概念组件：“应用程序代理（AA）”、“捆绑协议代理（BPA）”和一组零个或多个“CLA”[5]。捆绑节点的 AA 利用 BP 服务来实现各种应用目的的通信。它构造、请求传输、接受交付并处理特定于应用程序的数据单元。

除了概念组件之外，捆绑节点还需要内存来存储数据。与基于 TCP/IP 的互联网不同，在基于 TCP/IP 的互联网中，路由器可以在传输后立即丢弃数据包，DTN 捆绑包存储在永久非易失性存储器（即磁盘存储）中，以实现延迟/中断容错，并且如果指定为“托管”，则不能传输后立即丢弃。仅当“托管”捆绑包的托管已被其他 DTN 节点接受或其应用程序指定的生命周期已过期时，才能被丢弃。可以重传托管捆绑包以从有损信道上的数据损坏中恢复，但托管该捆绑包并传输该捆绑包的节点不会重传数据，直到该捆绑包的重传计时器在收到相应确认之前到期。（通常，捆绑包的重传计时器设置为通道单向发光时间的两倍，以最大程度地使用通道。）请注意，捆绑包或确认可能会在通道中丢失，从而导致重传。

捆绑节点的 CLA 代表 BPA 发送和接收捆绑。它使 BPA 能够与节点功能所在的接口网络进行交互。这允许 BPA 使用该“本机”网络协议的服务。 CLA 发送和接收数据包的方式受关联的本地互联网工作层的约束。因此，BPA 可以根据其转发的数据包的目的地来利用来自多个不同网络的 CLA。目前，基于 TCP 的 CLA（或简称 TCPCL）[7]、基于用户数据报协议（UDP）的 CLA（或简称 UDPCL）[8] 和 Licklider 传输协议（LTP）[9] CLA（或简称 LTPCL））是 BP 下最广泛支持的 CLA。

LTP 旨在作为 BP 底层的可靠“汇聚层”协议，用于通过长距离深空射频链路进行数据传输，其特点是非常长的往返时间 (RTT) 和/或间歇性连接。由于本工作重点研究 BP 本身在深空的内存变化和可靠传输，其中传输可靠性由 BP 的保管传输机制提供，因此文件传输实验被配置为通过 UDPCL 在不可靠的 UDP/IP 堆栈上运行可靠的 BP ，即 BP/UDPCL/UDP/IP。可靠的BP与可靠的LTPCL一起配置会引入冗余功能，因此本研究不涉及LTPCL。