论文标题：An End-to-End IP Header Compressed Packet Forwarding Framework for Bandwidth-Constrained Networks

中文标题：面向带宽受限网络的端到端IP头部压缩数据包转发框架

作者信息：Wen-Kang Jia（高级会员，IEEE），Li-Tian Chen，Zhe-Xin Xu（会员，IEEE）

论文出处：IEEE TRANSACTIONS ON GREEN COMMUNICATIONS AND NETWORKING, VOL. 6, NO. 4, DECEMBER 2022

摘要： 本文提出了一种用于带宽受限网络（BCNs）的端到端IP头部压缩数据包转发框架。现有的IP头部压缩技术，如健壮头部压缩（ROHC），虽然能够提高带宽效率，但它们通常是点对点的方法，需要为每个流和每个跳点维护压缩上下文，这在具有多跳传输的BCNs中是不利的。为了解决这一问题，本文提出了一种高效的端到端IP头部压缩数据包转发框架。首先，通过多跳传输方案建立端到端ROHC隧道。然后，基于offer/answer模型建立快速协商机制，确保上下文标识符（CID）全局唯一。最后，中间转发器根据CID确定下一跳转发路径。该框架除了减少每跳压缩和解压缩的传输带宽和时间消耗外，还可以加速BCNs中的数据包转发。模拟结果表明，该框架提高了BCN中的转发效率，降低了端到端传输延迟和节点功耗，且与信道条件和比特错误率无关。

引言： 随着无线、多跳、分散式、自组织和自愈合网络范式的快速发展，如移动自组织网络（MANET）、无线传感器网络（WSN）、车辆自组织网络（VANET）、战术数字信息链路（TADIL）、容忍延迟网络（DTN）、物联网（IoT）和虚拟私人网络（VPN），对带宽受限网络（BCN）的支持越来越受到研究和工业界的广泛关注。这些网络技术中的无线介质特性使得网络资源受限，尤其是当带宽受限和/或网络节点能量有限时。这些服务需要能够提供一定服务水平保障的网络环境。为了在BCN中挤出更多的可用带宽，成为一种更合理和可行的设计思路，允许定制和优化数据包和流的处理。另一方面，这些网络设备将使用TCP/IP作为共同的连接协议，与上层的其他网络基础设施进行互连。目前，几乎所有的上层服务和应用都是在TCP/IP协议下启动的。然而，TCP/IP协议在BCN中的使用面临着严峻的挑战，因为BCN面临着受限的端到端带宽，TCP/IP协议开销因不适合资源受限的无线网络而受到通信行业的批评。IP头部的巨大开销降低了无线信道中IP数据包的带宽利用率。当BCN的服务与多媒体流媒体相关时，这个问题变得更加恶化。

传统的IP头部压缩技术及其不足： TCP/IP头部由动态字段和静态字段组成。静态字段的值在数据流的整个传输过程中不会改变，因此不需要压缩和编码这部分。动态字段的变化有一定的规律，因此IP头部压缩方案根据每个动态字段的特性设置不同的编码方案。结果，数据包的大小被减小。为了在有效利用无线带宽的基础上保持鲁棒性和压缩率，IETF提出了ROHC机制，它对无线链路具有很高的容错率。ROHC通过压缩IP头部，提高了无线信道传输的鲁棒性。ROHC由压缩器和解压缩器组成，每个都有不同的配置文件和模式。ROHC框架定义了多个配置文件，包括无压缩、IP、IP/TCP、IP/UDP、IP/UDP/RTP和IP/ESP等。当压缩器的数据流建立时，它处于传输完整IP头部的初始状态。此时，压缩器向解压缩器发送包含完整头部信息的数据包，并携带流标识符（CID）。如果解压缩器能够通过接收到的数据包建立完整的上下文信息，压缩器可以根据发送器和接收器之间的信息交换将状态转移到最高阶状态。然后，压缩器尝试在解压缩器获得足够信息以成功提取压缩包的情况下保持更高阶状态。在这种情况下，ROHC头部可能只占据数据帧中的一个字节，实现了高压缩增益。ROHC头部中添加了循环冗余校验（CRC）字段，因此解压缩器可以检查接收到的数据包的解压缩结果。

端到端头部压缩转发架构： 本节提出了一个适用于BCNs的端到端ROHC全局压缩框架。在这个机制中，移动中继节点直接转发ROHC数据包，而不需要对IP头部进行解压缩和压缩。随后，介绍了CID协商过程。最后，详细阐述了移动中继节点的详细操作以及CID转发表的处理。在这个框架中，值得注意的是使用隧道技术在源节点和目的节点之间建立虚拟通道。

CID协商机制： CID协商机制可以分为两个阶段：第一阶段是建立从源节点到目的节点的端到端隧道，用于ROHC压缩器和解压缩器之间的上下文协商。第二阶段是在隧道外协商一个唯一的目标CID，并在沿途的每个中间节点中构建转发条目，记录协商的唯一CID和下一跳邻居地址。我们借鉴了典型的“offer/answer模型”的经验，该模型为端点提供了一种获得ROHC会话共享视图的手段。唯一的CID因此从源节点（压缩器）协商到目的节点（解压缩器），并通过每个单独路径的中间节点。

压缩数据包转发： 在上述小节成功操作之后，本小节关注后续的详细操作，如解压缩器、压缩器和中间节点（s）之间的转发表处理，包括1）ROHC数据包转发；2）ROHC上下文刷新；3）压缩路径拆除；和4）隧道路径拆除。

模拟结果与分析： 本节主要对第三章介绍的“端到端定向转发ROHC数据包模型”进行模拟，将其与现有的ROHC数据包模型作为基线进行比较。使用EstiNet网络模拟器实现基于C代码的网络场景，并生成两种选择的各种模拟结果。这两种选择在三个参考网络拓扑中运行：1）拓扑1：14节点NSFNet；2）拓扑2：28节点成本-239；3）拓扑3：156节点中国铁路网络（CRN）。随后，比较和分析了原始和提出方案在端到端传输延迟、功耗和协商一次成功率方面的性能。此外，提出的方案是补充框架，用于扩展和增强现有头部压缩技术在BCNs中的部署的可行性。换句话说，提出的方案基于标准化的ROHC协议。因此，其压缩效果等同于原始的ROHC方案。不同之处在于中间节点的递归重新压缩造成的巨大的计算成本和能源消耗。因此，本节不讨论头部压缩比的影响。

相关工作： 在IP头部压缩的研究领域，一些先前的工作关注于提高BCNs的效率以满足应用程序的QoS要求。本文提供了一个全面的调查，回顾和分析了关于端到端IP头部压缩技术的最新工作，总结了过去和这项工作的方法之间的比较，并为未来的工作提出了一些有希望的方向。

结论： 在带宽受限网络中，端到端带宽是一种主要的受限资源，因此很难在移动广泛的覆盖区域内为带宽驱动的应用程序提供足够的数据速率。在当前的应用和软件开发趋势中，TCP/IP已成为任何服务网络的主要标准协议。不幸的是，IPv4/IPv6和传输层数据包头部的巨大开销不适合这样的网络。为了更好地缓解这种困境，已经提出了一些头部压缩解决方案，这些方案通过减少BCNs中过度的控制开销来提高操作效率。然而，ROHC的点对点特性在网络中的处理导致了网络性能的进一步降级。因此，基于原始的ROHC，我们提出了一个补充的端到端头部压缩数据包转发框架，用于基于IP的网络，特别是BCNs，以提高带宽利用率，减少多跳传输和递归解压缩/压缩的传输延迟和能源消耗。在这样的方案中，首先在ROHC源和目的地之间建立一个虚拟隧道接口，它们也分别作为压缩器和解压缩器。然后，通过CID协商程序确定每个数据流的唯一CID。同时，在中间节点更新CID转发表。之后，压缩的数据包可以直接在BCN中转发，而不需要递归地执行解压缩和重新压缩。模拟结果表明，提出的方案在传输延迟和功耗方面优于原始方案。基于我们提出的方法，未来的工作建议如下：1）CID协商程序有潜在的改进，可以结合当前工业BCNs中的现有路由和/或标签交换架构。2）考虑到所提出的框架的性能有效性和稳定性可能与不同的移动性模型有关，将可信的移动性模型引入未来的模拟场景是很重要的。3）发现和确定所提出的框架在BCNs中的最有前途的应用领域。