YD∕T 3881-2021 延迟容忍网络 体系架构(通信).pdf
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1、 ICS 33.040.40M 13中 华 人 民 共 和 国 通 信 行 业 标 准YDXX/T XXXX-XXXX延迟容忍网络 体系架构Delay-Tolerant Networking Architecture(报批稿)XXXX-XX-XX 发布XXXX-XX-XX 实施发布I 目次 前言 .II 1 1 范围 .1 2 2 规范性引用文件 .1 3 3 缩略语 .1 4 4 概述 .1 5 DTN 网络架构描述 .2 5.1 必要性分析 .2 5.2 使用存储转发操作的虚拟消息交换 .2 5.3 节点和端点 .3 5.4 端点标识符和注册 .3 5.5 任意播和组播 .4 5.6 优先
2、级类别 .4 5.7 邮政类型的转发选项和管理记录 .5 5.8 路由和转发 .6 5.9 分片和重组 .7 5.10 可靠性和托管传输 .7 5.11 DTN 支持代理和应用层网关 .7 5.12 时间戳和时间同步 .8 5.13 包裹层的拥塞和流控 .8 5.14 安全 .8 6 状态管理建议 .9 6.1 应用程序注册状态 .9 6.2 托管转发状态 .9 6.3 束路由和转发状态 .9 6.4 安全相关状态 .9 6.5 策略和配置状态 .10 7 应用程序结构问题 .10 8 使用底层协议的汇聚层建议 .10 XX/T XXXX-XXXXII 前 言 本标准按照 GB/T 1.1-2
3、009 给出的规则起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利,本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。 本标准是延迟容忍网络系列标准之一,该系列标准预计的结构及名称如下: 1. 延迟容忍网络 体系架构 2. 延迟容忍网络 LTP 协议技术要求 3. 延迟容忍网络 Bundle 协议技术要求 随着信息技术的发展,以后还将根据实际情况制定后续相关标准。 本标准考虑到国内发展延迟容忍网络需求,主要参考IETF RFC:4838,2007Delay-Tolerant Networking Architecture制定而成。 本标准由中国通信标准化协会提出并归口。 本标准起草单位:中国信息通信研究院。
4、 本标准主要起草人:马军锋、宋菲、穆琙博、张杰、王哲、柴瑶琳、吴冲。 1 延迟容忍网络 体系架构 1 1 范围 本标准定义了一种延迟容忍网络的体系架构,内容包括消息交换、优先级类别、路由和转发、分片和重组、可靠和托管传输、时间戳和时间同步、拥塞和流控、安全、以及状态管理等相关需求。 本标准适用于具有超远距离、大时延的星际网络通信。 2 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注日期的引用文件, 仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 RFC 3986 (2005) Uniform Resource Identi
5、fier (URI): Generic Syntax RFC 4838 (2007) Delay-Tolerant Networking Architecture RFC 5050 (2007) Bundle Protocol Specification RFC 6257 (2011) Bundle Security Protocol Specification 3 3 缩略语 下列缩略语适用于本文件。 4 4 概述 ACL 访问控制列表 Access Control List ADU 应用数据单元 Application Data Unit API 应用编程接口 Application Pr
6、ogram Interface BSR 束状态报告 Bundle Status Report DSL 数字用户线 Digital Subscriber Line DTN 延迟容忍网络 Delay-Tolerant Networking EID 端点标识 Endpoint Identifier FTP 文件传送协议 File Transfer Protocol ID 标识符 Identifier IANA 互联网地址编码分配机构 Internet Assigned Numbers Authority ICMP 互联网控制报文协议 Internet Control Message Protocol
7、 IP 网际互联协议 Internet Protocol MRG 最小接收组 Minimum Reception Group SCTP 流控制传输协议 Stream Control Transmission Protocol TCP 传输控制协议 Transmission Control Protocol URI 统一资源标识符 Uniform Resource Identifier XX/T XXXX-XXXX2 本标准中提出的延迟容忍网络架构适用于高时延、 频繁中断等环境恶劣的通信场景, 如外太空通信、传感器网络、卫星通信等。 本标准中定义了一个端到端、 面向消息的包裹(Bundle)层,
8、 位于网络的传送层之上, 应用层之下。实现包裹层的设备称之为延迟容忍(DTN,Delay-Tolerant Networking) 网络节点。包裹层通过使用永久存储来克服网络中断的发生。 包裹层具备可靠的逐跳转发和可选的端到端确认机制, 同时包含大量的诊断和管理功能。包裹层使用基于统一的资源标识(RFC3986)作为命名方案,能够封装不同的命名和编址方案。同时,包裹层还包含一个基本的安全模型(可选)。包裹层提供了类似网络层网关的功能,但不同于网关, 包裹层关注于虚消息的转发而不是分组的交换, 并通过永久存储来保障存储和转发功能。 DTN 网络架构中提供了一个通用的方法来实现异构网关或代理的互联
9、,并使用存储转发消息路由来克服通信的中断,提供类似于电子邮件的服务,但是增强了命名、路由和安全等能力。 无法支持该架构所需的全部功能的节点,可以通过 DTN 应用层代理来支持。 5 DTN 网络架构描述网络架构描述 5.1 必要性分析 由于现有互联网体系架构是建立在一些基本假设的基础上, 所以它不能适用于一些特定的场景。 现有互联网体系架构的基本假设包括: 为保持长时间的通信会话,在源和目的地之间存在一条端到端的路径; (为实现可靠通信) ,重传(基于数据接收方及时、稳定的反馈) 是修复错误的一种有效方法 ; 端到端的丢包相对较小; 所有的路由器和端点都支持 TCP/IP 协议; 应用不需要担
10、心通信性能; 对于大多数的安全问题,基于端点的安全机制是足够的; 分组交换是对互操作和性能最合适的抽象; 在发送方和接收方之间选择一条单一路径就能够获得可接受的通信性能。 DTN 网络架构被认为放宽了上述大多数的假设,基于如下设计原则: 使用变长消息(不是流或者是大小受限的分组)作为通信抽象来帮助提升网络能力,尽可能地做更好的调度/路径选择决策; 使用命名语法支持更大范围的命名和编址规则来提升互操作性; 在网络内部使用存储来支持多路径、长时间尺度的存储转发操作(例如支持多条或没有端到端路径场景下的操作);不要求端到端的可靠性; 提供安全机制保护基础设施免遭不被授权地使用(尽可能快的丢弃流量);
11、 提供粗粒度的服务等级和交付选项,以及一种表示数据有效生命周期的方法,以便网络更好的服务于应用需求。 包裹层的使用不仅要根据自身的设计原则,同时也要考虑一些应用的设计原则: 应用程序应当最小化往返交换的次数; 当网络事务保持挂起,应用应当能够在故障发生后处理重启; 应用程序应当通知网络被转发数据的有效生命周期和相对重要性。 5.2 使用存储转发操作的虚拟消息交换 支持 DTN 网络的应用程序发送任意长度的消息, 称之为应用数据单元 (ADU, Application Data 3 Units),并受到具体实现的限制,而且 ADU 的相对顺序是不会保留的。尽管系统的接口存在很大差异, 但是 AD
12、U 总是在一个完整的单元中发送并传递给应用程序。 ADU 被包裹层转化成一个或者多个被称之为束的协议数据单元,然后被转发到 DTN 节点。束有一个定义的格式,包含两个或者多个数据块。每个块可能包含应用数据等信息。块服务的目的是保存其它协议架构中的报头或协议数据单元载荷部分的信息。使用术语“块” 而不是“报头” ,是因为由于特殊的处理要求(如数字签名),块不可能出现在一个束的开头。 在传送的过程中, 束可以被分片成多个连续的束 (也称之为分片, 或者束分片)。 分片本身也是束,可以继续被分片。两个或者多个分片可以在网络的任意位置重组,形成一个新的束。 束的源、目的地址可以通过变长的端点标识符进行
13、标识,分别标识束的发送方和接收方。 束也包含一个 “report-to” 端点标识,用于将诊断结果直接输出到一个任意实体(如不同的源)的特殊操作。一个端点标识(EID,Endpoint Identifier)可以是一个或者是多个 DTN 节点(如组播目的地,或者是“report-to”目的地)。 DTN 网络架构不会要求网络链路总是可用或者是可靠的,而是会期望节点可以选择存储束一段时间。 因此,大多数节点期望使用永久存储介质,如磁盘,闪存等。 当系统重启时,存储束将会存活。 束包含一个初始时间戳、有效期标识、服务分类标识符和长度。这些信息提供包裹层路由,优先考虑转发数据的大小和性能要求。 当网
14、络中出现大量的排队队列时,上述信息对于流量调度和路径决策具有重要的意义。 基于束的转发最基本的要求是束可以在网络中某个地方的队列中等待, 直到通信机会出现。 需强调以下假设: (1)该存储是可用的,并且在整网均匀分布。 (2)该存储足够持久和健壮,能够存储束直到转发发生。 (3)该“存储转发”模型是比尝试实现连续连接或其他替代方案更好的选择。 将长时间存储作为 DTN 网络架构的一个最基本的要素会产生一些新问题,特别是拥塞管理和缓解拒绝服务攻击。 5.3 节点和端点 DTN 节点是发送和接收束的引擎,是包裹层的一种实现。应用程序使用 DTN 节点发送和接收束中的 ADU。节点可能是 DTN 端
15、点集中的组成员, 因此一个 DTN 端点也是一组 DTN 端点集中的一个。当端点中最少的一组节点已经无差错的接收到束,认为一个束已经成功地被转发到 DTN 端点。 这个子集被称之为端点的最小接收组(MRG,Minimum Reception Group)。端点的 MRG 可能是一个节点(单播),也可能是一组节点中的一个(任意播),或者是一组中的所有节点(组播或广播)。 一个节点可以是多个端点的 MRG。 5.4 端点标识符和注册 5.4.1 概述 EID 使用统一资源标识(URI,Uniform Resource Identifier)语法表示一个端点,一个端点至少有一个 EID。通过 EID
16、,一个节点能够决定由 EID 命名的 DTN 端点中的 MRG。 应用程序可向指定的目标 EID 发送 ADUs。在 EID 中可能会预留一部分作为通配符用于诊断和路由。 一个应用程序期望接收到特定 EID 的 ADU 被称之为注册,通常由一个 DTN 节点持续维护。这允许应用注册信息在应用或系统重启后仍然存活。 应用程序试图建立一个注册并不保证会成功。例如,指定一个端点 ID 来请求注册自身去接收XX/T XXXX-XXXX4 ADU,该 ID 对于 DTN 节点服务请求不可解析或者是不可用,此类请求很可能会失败。 5.4.2 URI 格式 每个端点 ID 采用通用资源标识符(RFC3986
17、) 来表示。每个 URI 以格式名字开始,在词法上 URI中紧跟格式名字的是一长串字符,URI 中这部分被称之为特定格式部分。需要指出的是,特定格式的语法和语义规则的限制可能比 RFC3986 规定的基本规则更具有约束力。格式名字语法的指导规则参见RFC3986 章节 3.1。 URI 按照 RFC3986 中定义的规则来构建,使用 US-ASCII 码字符集。但是,涉及无法用US-ASCII 码来表示的字符,如果在该格式允许或 URI 参考的协议元素允许的情况下,可以用“Percent-encoded octets”来代表超出 US-ASCII 编码范围的字符集。在使用百分比编码字节前,应该
18、指定用于将这些字符映射到八位字节的字符编码。 5.4.3 延迟绑定 绑定用于解析EID中的特定格式部分,其目的是携带相关的信息到目的地。延迟绑定意味着束目的地址绑定到一组特定目的地标识或者地址,不要求必须在束的源发生。因为目的EID可能会在每一跳重新解析,所以绑定可能发生在源,传输过程中或者是目的地。 在一个频繁中断的网络中, 延迟绑定可能更具有优势, 因为消息的传送时间可能会超过一个绑定的有效期,在源进行绑定是不可能或者是无效的。而且,结合延迟绑定使用基于名字的路由会减少管理(映射) 信息的数量,这些信息必须通过网络进行传播,对于经常发生变化的本地拓扑邻居关系,也可以限制映射同步要求的范围。
19、 5.5 任意播和组播 EID可以是指包含一个或者多个DTN节点的端点。当EID指的是一组数量大于1的DTN节点,传送语义要么是任意播,要么是组播(广播被认为是组播的变种)。对于任意播转发,一个束被传送到一组可能的接收节点中的一个节点;对于组播转发,一个束预期被传送到所有节点,但受制于DTN服务等级和最大有效生命的语义。 在如因特网等延迟相对较低的网络中,如果一个节点“最近” 表示有兴趣加入一个组,那么该节点可以被认为是该组的一部分。然而在 DTN 网络中,节点可能希望更早地加入该组。 5.6 优先级类别 DTN 架构为传送 ADU 提供了相关的优先级措施(低、中、高) ,这些优先级基于应用期
20、望影响 ADU的传送紧迫性来差异化流量。优先级是由包裹层基于应用指定的信息生成,并在束块中携带。 DTN 架构中流量通常不是交互的,而是单向的。通常无法保证及时传送,但有一些服务分类、可靠性和安全性保障。 目前,已经定义了三个相对的优先级类别。 (1)批量:块束基于“省力原则”被传送。直到所有其他类别的、到相同目的地且由相同源生成的块被传送,此类别的块才被传送。 (2)普通:普通类别的块要优先于块类别的束传送,否则和块束优先级相同。 (3)加急:通常加急束要优先于其他类别的束传送,否则与其他类优先级相同。 应用对发送的每个 ADU 指定它们的请求优先级类别和数据的有效期。这类信息结合在 DTN
21、 节点上的策略或路由算法等,会影响 ADU 传送的整体可能性和时效性。 5 束的优先级等级仅作用于来自相同源的其它束。 这意味着来自一个源的高优先级束不一定比来自不同源的低优先级束更快的被转发,但是来自相同源的具有高优先级的束比低优先级的束会优先处理。 取决于特定 DTN 节点的转发/调度策略,优先级既可以跨不同源强制执行,也可能不能跨不同源强制执行。在某些 DTN 节点,具有加急优先级的束可能总是被优先于块束进行处理,而与源无关。 5.7 邮政类型的转发选项和管理记录 5.7.1 转发选项 本标准中定义了 8 种传送选项。发送 ADU 应用可以请求以下各项的任意组合: (1)保管转发请求:请
22、求在发送束时可以通过保管转发过程增强可靠性。包裹层通过使用可靠的传输协议来传输束,而且包裹层可靠传送的职责可以在网络中一个或者多个“保管节点”之间移动。 (2) 需要源节点保管接收:要求源 DTN 节点为被发送的束提供保管转发功能。如果在请求传送选项时源地址保管转发不可用,那么该请求失败。 (3)束被交付时发送报告:当 ADU 被交付到其预定的接收者时,请求生成一个束交付状态报告。 (4)束被应用确认时发送报告:当 ADU 被接收应用确认时,请求生成一个确认状态报告。 (5)束被接收时发送报告:当每个束到达 DTN 节点时,请求生成一个束接收状态报告请求。 (6)束被保管接收时发送报告:当每个
23、束都通过保管转发而被接收时,请求生成一个保管接收状态报告。 (7)束被转发时发送报告:当每个束在转发而离开 DTN 节点时,请求生成一个束转发状态报告。 (8)束被删除时发送报告:当每个束在 DTN 节点被删除时,请求生成一个束删除状态报告。 前四个传送选项作为应用的常用选项。后四个传送选项主要用于诊断目的,通常用于拥塞或受到攻击的场景下。 如果文献 RFC 6257 中定义的安全过程被启用,那么还有三个传送选项: (9)保密要求:要求目标 ADU 对于除源节点和目的地 EID 成员之外的所有其他节点是保密的。 (10)认证要求:要求所发送束的束块中所有不变的字段都要被强制验证。 (11)错误
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