面向空間差錯信道的dtn網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及深空通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種面向空間差錯信道的DTN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 聚合傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 容遲 / 容斷網(wǎng)絡(luò)（DTN, Delay/Disrupt-Tolerant Networking)由 Fall 等于 2003 年提出，為空間互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種可能的解決方案，目前主要公開的研究機(jī)構(gòu)是DTN 研究小組（DTNRG, DTN Research Group)。由于星際互聯(lián)網(wǎng)包含多種不同的通信場景，其傳 播時(shí)延、信道狀況存在差異，深空骨干網(wǎng)絡(luò)和臨近網(wǎng)絡(luò)等局部網(wǎng)絡(luò)所采用的底層協(xié)議也不 盡相同。DTN通過在應(yīng)用層和局部底層網(wǎng)絡(luò)之間引入覆蓋層--bundle layer為不同應(yīng)用 提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)局部網(wǎng)絡(luò)間互通互聯(lián)，并支持在局部網(wǎng)絡(luò)中采取各自性能最優(yōu)協(xié) 議。圖1-2為DTN異構(gòu)互連示意圖。同時(shí)由于深空鏈路傳播延遲長且不固定，依賴于協(xié)商、 查詢/響應(yīng)等會話交互難以實(shí)現(xiàn)，DTN應(yīng)用層將消息打包成覆蓋層數(shù)據(jù)單元bundle，采用異 步傳輸模式進(jìn)行虛消息轉(zhuǎn)發(fā)。為了保障數(shù)據(jù)在頻繁中斷網(wǎng)絡(luò)中可靠傳輸，DTN采取存儲-轉(zhuǎn) 發(fā)模式，bundle在節(jié)點(diǎn)中存儲于永久存儲設(shè)備中直到下一次傳輸機(jī)會到來時(shí)發(fā)送。
[0003] DTN 協(xié)議體系主要包括 BP 協(xié)議（bundle protocol)、LTP 協(xié)議（Licklider Transmission Protocol)、Saratoga 協(xié)議、LTP-T 協(xié)議（LTP Transport)和 DTTP 協(xié)議 (Delay-Tolerant Transport Protocol)等。DTN協(xié)議借鑒了前兩種協(xié)議體系相關(guān)思想， 對其不足之處做了相應(yīng)修改，成為未來互聯(lián)網(wǎng)重要發(fā)展方向。2008年，美國NASA實(shí)施了名 為深度撞擊網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)（DINET, Deep Impact Network Experiment)，通過深度撞擊航天器 (DI，De印Impact)完成了第一次基于BP和LTP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，驗(yàn)證了 DTN協(xié)議在空間網(wǎng) 絡(luò)中的應(yīng)用。然而，DTN協(xié)議體系提出時(shí)間較短，在某些協(xié)議細(xì)節(jié)方面例如擁塞控制、優(yōu)化 傳輸、路由、時(shí)間同步等不夠完善，具有廣闊的研究前景。
[0004] 深空通信一個很突出的特點(diǎn)是上下行鏈路不對稱，下行鏈路的傳輸速率比較快， 上行鏈路的傳輸速率比較慢。這樣會導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)下行鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的個數(shù)，比單 位時(shí)間內(nèi)上行鏈路傳輸?shù)姆答伆膫€數(shù)多。這樣會導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)包必須等待它的反饋包到 達(dá)發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)，它才能進(jìn)行下一步的傳輸，增加的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却龝r(shí)間，降低了吞吐量。
[0005] 深空通信還有一個很突出的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸誤碼率非常高。在這樣的情況下，數(shù) 據(jù)包（bundle)聚合必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的增大。數(shù)據(jù)包的增大使得數(shù)據(jù)包丟包和出錯的概率 增大，因此反饋包（RS)的個數(shù)也增大，那么反饋包RS出錯和丟包的概率也增大。再加上反 饋鏈路的速率比較低，必然導(dǎo)致更大的延遲。
[0006] 由于空間數(shù)據(jù)傳輸信道不對稱且誤碼率高的特性，數(shù)據(jù)傳輸一直都面臨著各種困 難：
[0007] 空間DTN網(wǎng)絡(luò)中上下行的傳輸速率是不對稱的，傳輸速率的比率可能從1:1到 1:400不等。在對稱的情況下，傳輸一個bundle返回一個RS是沒有問題的，不會產(chǎn)生時(shí)延 和擁塞等情況。但是在不對稱的情況下，如果仍然采用傳統(tǒng)的傳輸策略的話，比較大的時(shí)延 就是無法避免的。由于誤碼率高，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的重傳這樣會產(chǎn)生一定的延遲，這是無法避 免的。但是由于信道傳輸速率不對稱，下行傳輸速率比較快，上行傳輸速率比較慢。在單位 時(shí)間內(nèi)傳輸bundle的個數(shù)，比單位時(shí)間內(nèi)反饋的RS的要多，使得bundle必須等待RS傳輸 完之后再進(jìn)行后續(xù)的傳輸，使得時(shí)延增大。
[0008] 于是研究者提出了 bundle聚合的傳輸方式。在信道速率對稱的情況下，bundle聚 合在理想條件和低誤碼率條件下的實(shí)際吞吐量的提升還是比較明顯的，但是在高誤碼率的 條件下，性能的提升較小。而在信道不對稱的情況下，理想條件和低誤碼率條件下，實(shí)際吞 吐量的提升比對稱信道的提升還要明顯，但是在低誤碼率的條件下，實(shí)際吞吐量幾乎為〇。 由前面的分析可以知道，RS的丟包率和RS的大小時(shí)有很大關(guān)系的。在高誤碼率的條件下， 再加上由于bundle的聚合，block的大小也大大增加了。所以LTP層segments的丟失個 數(shù)也大大增加。RS的大小與LTP層中segments的丟失個數(shù)是成正比的。所以RS的大小也 隨著block和誤碼率的增大而增大。在不聚合的情況下，雖然bundle傳輸?shù)膶?shí)際吞吐量比 較低，但是不至于為0。
[0009] 因此，可以得出在深空傳輸中，誤碼率較高的情況下，bundle的聚合不能帶來實(shí)際 吞吐量的提升，反而會將實(shí)際吞吐量降到最低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種面向空間差錯信道的DTN網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)聚合傳輸方法，將多個數(shù)據(jù)包聚合到一個大的數(shù)據(jù)包中，在高誤碼率的深空環(huán)境下進(jìn)行 傳輸，通過bundle的聚合減少數(shù)據(jù)包的個數(shù)，從而減少反饋包的個數(shù)，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間， 提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊Ｍ瑫r(shí)，對RS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使得bundle聚合的傳輸方法在高 誤碼率的情況下也提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊?br>[0011] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0012] -種向空間差錯信道的DTN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合傳輸方法的具體步驟如下：
[0013] 步驟1 :數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序傳輸?shù)絙undle protocol (BP)層；
[0014] 步驟2 :數(shù)據(jù)在BP層被均分成η段，再將每f段數(shù)據(jù)裝入BP層的數(shù)據(jù)包bundle 中，數(shù)據(jù)被打包到bundle中后，傳輸?shù)絃TP層；
[0015] 步驟3 :將每m個bundle打包到一個LTP層數(shù)據(jù)包block中進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)倪^ 程中block被分成k個segments進(jìn)行傳輸；
[0016] 步驟4 :接收一個block必須反饋一個RS到發(fā)送節(jié)點(diǎn)；對RS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，使 得RS即使在高誤碼率的情況下，它的變化也不足以影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊?br>[0017] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述對RS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改具體為：將RS的接收聲明修 改為k個比特的字段，所述k個比特對應(yīng)順序傳輸?shù)膋個segments是否接收成功的指示。
[0018] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，1代表接收成功，0代表需要重傳；初始化時(shí)，接收聲明 的所有位都置為〇。
[0019] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述m根據(jù)不同上下行傳輸速率比和高誤碼率情況進(jìn) 行設(shè)置。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的在高差錯雙向鏈路上利用bundle聚合的容 遲/容斷網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法。本發(fā)明主要是將多個數(shù)據(jù)包聚合到一個大的數(shù)據(jù)包中，在高 誤碼率的深空環(huán)境下進(jìn)行傳輸，通過bundle的聚合減少數(shù)據(jù)包的個數(shù)，從而減少反饋包 的個數(shù)，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊．?dāng)反向鏈路差錯率較高時(shí)，過多的 bundle聚合會導(dǎo)致RS變大，RS出錯的概率增加，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊１景l(fā)明對RS的 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使得它的大小即使在誤碼率很高的情況下，也只在小范圍內(nèi)變化。本發(fā)明 從一定程度上有效的解決了當(dāng)前DTN網(wǎng)絡(luò)上下行鏈路不對稱和高誤碼率情況下吞吐量降 低的問題。
【附圖說明】
[0021] 圖1是數(shù)據(jù)在DTN協(xié)議棧中的分段和聚合過程示意圖；
[0022] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的RS包結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明的RS包結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明的數(shù)據(jù)聚合傳輸方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0026] 首先對以下符號進(jìn)行定義：
[0027] N ：一個 block 聚合 bundle 的個數(shù)；
[0028] Goodput:有效吞吐量；
[0029] RTT :bundle的往返傳播時(shí)間；
[0030] Tb:傳輸一個bundle需要的時(shí)間；
[0031] TR:傳輸一個RS需要的時(shí)間；
[0032] Tb:聚合后傳輸一個block所需要的時(shí)間；
[0033] V :聚合后傳輸一個RS需要的時(shí)間；
[0034] Db: -個bundle的數(shù)據(jù)大小；
[0035] Dhead:-個bundle的包頭信息大小。
[0036] (1)對一般的bundle傳輸策略，即一個block裝一個bundle的情況，得到它的實(shí) 際吞吐量的表達(dá)式為：
[0037]
( 1 )
[0038] (2)在基于bundle聚合的情況，即將多個bundle裝到一個block中的情況，得到 它的實(shí)際吞吐量的表達(dá)式為：
[0039]
( 1 )
[0040] 假設(shè)有N個bundle (相同大小且大小為Lbundle)傳到LTP層后，被打包到一個block 中，block再被分成若干個segments進(jìn)行傳輸。LTP層中的segments的默認(rèn)長度為Lseg，誤 碼率為BER，一個segment (也叫packet)的錯誤概率為P_E，貝丨J :
[0041] P_E = 1-(1-BER)S (S = 8*Lseg) (3)
[0042] Lelock= N*L bundie+Lhead (4)
[0043] -個block平均可以分成nseg個segments傳輸，則
[0044] nseg= L Bi〇ck/Lseg (5)
[0045] 反饋包RS的組成部分包括包頭信息，還有傳輸過程中丟失的segments的范圍。包 頭信息是固定的，變動的部分就是丟包的信息在block中排序的區(qū)間。包頭信息的平均大 小為8bytes，表示一個區(qū)間所需要的大小大概為16bytes?，F(xiàn)在需要確定的就是block中 segments丟失的個數(shù)Nemff，由以下等式得出：
[0046]
( 6 )
[0047] 得到RS的長度：
[0048] Lrs= 8+(Nerr〇r+l)*16 (7)
[0049] 得到RS的錯誤概率為：
[0050]
( 8 )
[0