王洋 楊宏 陳曉光 丁凱

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

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深空DTN網(wǎng)絡(luò)中LTP協(xié)議的額外傳輸開(kāi)銷優(yōu)化

王洋 楊宏 陳曉光 丁凱

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

針對(duì)深空延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)能量資源有限，而利克里德傳輸協(xié)議(LTP)段大小對(duì)額外傳輸開(kāi)銷影響明顯，需要確定最優(yōu)的LTP段大小的問(wèn)題，文章分析了深空DTN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，利用深空DTN網(wǎng)絡(luò)中額外傳輸開(kāi)銷的數(shù)學(xué)理論模型，通過(guò)求導(dǎo)的方法計(jì)算出了LTP段大小的最優(yōu)值，并得到了最優(yōu)化問(wèn)題的解析解。數(shù)值仿真結(jié)果表明：通過(guò)解析解表達(dá)式得到的LTP段大小的最優(yōu)值與該最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)值解重合，在深空通信時(shí)采用此方法，可快速精準(zhǔn)地選擇LTP段大小，也可大幅減小額外傳輸開(kāi)銷。

延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)；利克里德傳輸協(xié)議；深空通信；段大小優(yōu)化；額外傳輸開(kāi)銷；解析解

1 引言

深空網(wǎng)絡(luò)是由深空行星網(wǎng)絡(luò)、過(guò)渡軌道器網(wǎng)絡(luò)、地球網(wǎng)絡(luò)等互連組成的空間網(wǎng)絡(luò)，旨在為深空任務(wù)提供數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)及探測(cè)器和深空軌道器的導(dǎo)航業(yè)務(wù)。深空網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)相比，具有明顯的區(qū)別：長(zhǎng)傳播時(shí)延、斷續(xù)的鏈路連接、非對(duì)稱的帶寬、極高的鏈路誤碼率等，這都使得在地面上運(yùn)行良好的傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)不能應(yīng)用于深空網(wǎng)絡(luò)[1-2]，因此，延遲中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)應(yīng)運(yùn)而生[3-4]。DTN通過(guò)在原網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的底層協(xié)議上覆蓋一個(gè)新的稱之為束協(xié)議(BP)[5]的傳輸協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)消息的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。運(yùn)行在BP協(xié)議下用來(lái)實(shí)現(xiàn)束交換的底層協(xié)議被叫做匯聚層協(xié)議，利克里德傳輸協(xié)議(LTP )協(xié)議[6-7]是專門為高延遲和斷續(xù)鏈路而設(shè)計(jì)的匯聚層協(xié)議。

航天器在空間探測(cè)尤其是深空探測(cè)中，由于能量資源非常有限，因此需要研究降低額外傳輸開(kāi)銷的方法。目前已有大量降低DTN網(wǎng)絡(luò)中額外傳輸開(kāi)銷性能的研究[8-12]。這些研究表明，在DTN網(wǎng)絡(luò)中，束大小對(duì)于額外傳輸開(kāi)銷影響不大，而LTP段大小的影響明顯。但已有研究多數(shù)采用試驗(yàn)的手段對(duì)LTP段大小的影響進(jìn)行定性分析或者使用啟發(fā)式算法求解LTP段大小的最優(yōu)值，且多數(shù)不是針對(duì)于深空通信場(chǎng)景。在深空DTN網(wǎng)絡(luò)中，考慮最小化額外傳輸開(kāi)銷時(shí)，缺乏LTP段大小最優(yōu)值的解析表達(dá)式。

因此，本文基于額外傳輸開(kāi)銷的理論模型和最優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)求導(dǎo)的方式，分析了LTP段大小的取值對(duì)于額外傳輸開(kāi)銷的影響，求出了LTP段大小最優(yōu)值的解析表達(dá)式，分析了誤碼率對(duì)LTP段大小最優(yōu)值的影響。在地球-火星通信場(chǎng)景不同誤碼率下進(jìn)行仿真，對(duì)LTP段大小最優(yōu)值的解析解與以往文獻(xiàn)得到的數(shù)值解進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該解析解表達(dá)式的正確性。同時(shí)，比較了使用該解析解表達(dá)式得到的最優(yōu)LTP段大小時(shí)需要的額外傳輸開(kāi)銷與使用常用LTP段大小時(shí)需要的額外傳輸開(kāi)銷，驗(yàn)證了LTP段大小對(duì)于額外傳輸開(kāi)銷的影響。

2 深空DTN網(wǎng)絡(luò)額外傳輸開(kāi)銷的理論模型

本節(jié)首先給出深空DTN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，包括DTN網(wǎng)絡(luò)中各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)分割與封裝機(jī)制及LTP協(xié)議的重傳機(jī)制。隨后，依據(jù)深空DTN網(wǎng)絡(luò)額外傳輸開(kāi)銷的理論模型，并通過(guò)分析數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，將LTP段大小對(duì)于理論模型的影響進(jìn)行了定性的分析。

2.1 深空DTN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

在深空DTN網(wǎng)絡(luò)中各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元分割與封裝過(guò)程如圖1所示：在發(fā)送端，源文件被分割為多個(gè)束，考慮LTP的匯聚作用，M個(gè)束會(huì)被匯聚成一個(gè)LTP塊，每個(gè)LTP塊再分割為L(zhǎng)個(gè)LTP段，再加上鏈路層幀頭，組裝成鏈路層幀傳給物理層進(jìn)行傳輸。接收端的接收過(guò)程與此相反。

圖1 DTN中各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元分割與封裝示意圖Fig.1 PDU encapsulations and segmentations in DTN

現(xiàn)介紹LTP協(xié)議的重傳機(jī)制。每個(gè)LTP塊包含兩部分，每部分的大小均可為0。第一部分叫做“紅色部分”，使用應(yīng)答和重傳來(lái)保證可以被接收端成功地接收。LTP塊的另一部分叫做“綠色部分”，包含不可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。紅色部分的最后一個(gè)數(shù)據(jù)段被標(biāo)記為校驗(yàn)點(diǎn)(Checkpoint,CP)，接收端收到CP后將會(huì)反饋一個(gè)相應(yīng)的報(bào)告段(Report Segment,RS)給發(fā)送端。如果LTP塊中紅色部分被正確接收，則RS是一個(gè)肯定的應(yīng)答，否則該RS是一個(gè)否定的應(yīng)答，丟失的數(shù)據(jù)將會(huì)重傳。發(fā)送端接收到了RS，則回復(fù)一個(gè)報(bào)告應(yīng)答段(Report Acknow-ledgment,RA)給接收端來(lái)響應(yīng)該RS。RSs和CPs都是基于定時(shí)器的，如果相應(yīng)的定時(shí)器超時(shí)，則會(huì)重傳RSs和CPs。

2.2 深空DTN網(wǎng)絡(luò)額外傳輸開(kāi)銷的理論模型

文獻(xiàn)[12]中研究深空DTN網(wǎng)絡(luò)傳輸開(kāi)銷的理論模型，定義額外的傳輸開(kāi)銷Wextra為總共傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量Wt與信息數(shù)據(jù)量Ws間的差值和信息數(shù)據(jù)量Ws的比值，即

(1)

額外的傳輸開(kāi)銷Wextra由額外的重傳開(kāi)銷Wr和額外的協(xié)議開(kāi)銷Wo兩部分組成，表示為

(2)

(3)

Wextra=Wr+Wo

(4)

式中：Ll為L(zhǎng)TP段大小，Llh和Llm分別為L(zhǎng)TP段頭部大小和LTP段中元數(shù)據(jù)的大小。Ldh為數(shù)據(jù)鏈路層的頭部大小，Lb為束大小(不包括束頭)，Lbh為束的頭部大小。pseg為數(shù)據(jù)鏈路層的誤幀率，見(jiàn)式(5)

pseg=1-(1-pe)8(Ll+Ldh)

(5)

式中：pe為鏈路誤碼率。

由式(1)～(5)可以看出：當(dāng)段大小較短時(shí)，每段因誤碼而需重發(fā)的概率又較低，重傳開(kāi)銷較?。坏欠侄味嗔?，協(xié)議包裝的開(kāi)銷卻會(huì)較大。因此為了減小額外開(kāi)銷存在一個(gè)合理優(yōu)化的問(wèn)題，即需要選擇一個(gè)LTP段大小的最優(yōu)值。

3 LTP段大小最優(yōu)值設(shè)計(jì)

本節(jié)將LTP段大小對(duì)于額外傳輸開(kāi)銷的影響歸結(jié)為最優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)求導(dǎo)的方式推導(dǎo)出LTP段大小最優(yōu)值的解析表達(dá)式。

3.1 最優(yōu)化問(wèn)題的提出

由式(2)、(3)和(4)可以看出，在給定誤碼率和各層包頭大小的條件下，傳輸給定文件時(shí)，額外傳輸開(kāi)銷Wextra僅與LTP段大小Ll有關(guān)(已有文獻(xiàn)[8-9，11-12]表明束大小Lb對(duì)其影響可以忽略)，因此，可以將LTP段大小對(duì)于額外傳輸開(kāi)銷的影響歸結(jié)為一個(gè)帶約束的非線性最優(yōu)化問(wèn)題，使用最優(yōu)化算法例如模擬退火算法[13]可以求解最優(yōu)化問(wèn)題。首先，確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件，目標(biāo)函數(shù)為Wextra(Ll)。優(yōu)化問(wèn)題描述如下：

s.t.Llh+Llm

(6)

考慮到目前LTP段大小最大值為1400byte(這是目前文獻(xiàn)[8-12]中經(jīng)常使用的一種配置)。通過(guò)上述最優(yōu)化問(wèn)題的求解，可以得到一定誤碼率條件下，LTP段大小最優(yōu)值的數(shù)值解，此時(shí)得到的目標(biāo)函數(shù)值是最小的額外傳輸開(kāi)銷。

3.2 LTP段大小最優(yōu)值的解析解

使用最優(yōu)化算法求解最優(yōu)化問(wèn)題得到數(shù)值解，收斂較慢且不精確，因此，下面計(jì)算出了最優(yōu)化問(wèn)題的解析解。將式(4)對(duì)Ll求導(dǎo)，可以得到

(7)

令式(7)為0，可得到函數(shù)Wextra(Ll)的駐點(diǎn)為

(8)

當(dāng)pe很小時(shí)，ln(1-pe)≈-pe，且Ldh、Llh和Llm為頭部和元數(shù)據(jù)大小，均很小(小于10byte)，所以式(8)可以簡(jiǎn)化為

(9)

上述兩種情況可以表示為

(10)

由式(10)可以看出，LTP段大小的最優(yōu)值僅與深空信道的誤碼率有關(guān)，與其他因素比如文件大小、鏈路速率或者信道傳播時(shí)延均無(wú)關(guān)。

本節(jié)中根據(jù)理論模型求最優(yōu)值解析解的方法適用于一般的同等QoS數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，可以用于使用其他匯聚層協(xié)議的DTN場(chǎng)景。

4 仿真結(jié)果與討論

4.1 仿真場(chǎng)景描述

從火星到地球的通信系統(tǒng)包括地面站、火星中繼衛(wèi)星、火星著陸器等，如圖2所示。為了給火星著陸器提供更長(zhǎng)的通信時(shí)間，火星中繼使用了文獻(xiàn)[14]中提出的中繼星座方案。假設(shè)火星著陸器降落在火星蓋爾隕坑附近，具體位置為火星的5.45°(S)、137.8°(E)，地球站分別位于我國(guó)東西兩端的喀什和佳木斯。利用STK軟件，對(duì)上述場(chǎng)景中通信鏈路可見(jiàn)性及鏈路時(shí)延進(jìn)行了仿真，仿真起始時(shí)間為2017年6月1日。通過(guò)仿真可以得出，火星通信網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間并不一定時(shí)刻存在端到端路徑，且地球站與火星中繼之間的路徑傳播時(shí)延較長(zhǎng)，通常為10分鐘量級(jí)，是一個(gè)典型的空間DTN網(wǎng)絡(luò)。

圖2 火星到地球的通信Fig.2 Mars to earth communication scenario

設(shè)計(jì)地球-火星通信中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖3所示，紅色邊框部分表示通信網(wǎng)絡(luò)是由地球-火星骨干網(wǎng)絡(luò)和火星著陸器接入網(wǎng)絡(luò)組成。在地面站、火星中繼衛(wèi)星、火星著陸器等節(jié)點(diǎn)上使用DTN協(xié)議棧，DTN協(xié)議棧利用BP協(xié)議(圖3中黃色部分)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，能夠較好地解決長(zhǎng)時(shí)延和間歇鏈路導(dǎo)致的問(wèn)題，適用于地球到月球乃至更遠(yuǎn)距離的深空通信。DTN協(xié)議棧中使用LTP協(xié)議作為空間鏈路的匯聚層協(xié)議，可以支持具有長(zhǎng)鏈路時(shí)延、高誤碼率、信道非對(duì)稱等特點(diǎn)的深空鏈路的可靠通信?；鹦侵欣^衛(wèi)星到地球站的單向傳播時(shí)延設(shè)為10 min，返向鏈路數(shù)據(jù)速率為2 Mbit/s，前向數(shù)據(jù)鏈路僅用來(lái)傳輸小的RSs，速率為4 kbit/s，即非對(duì)稱速率比為500∶1。場(chǎng)景中使用的其他參數(shù)如下：束大小為80 kbyte，束頭大小為40 byte，LTP塊中全為紅色可靠數(shù)據(jù)，LTP塊大小為240 kbyte，LTP段中頭部和元數(shù)據(jù)大小共為10 byte，數(shù)據(jù)鏈路層幀頭部大小為6 byte。信道誤碼率采用1×10-5，5×10-6，1×10-6和1×10-7，發(fā)送文件的大小從1 Mbyte變化到100 Mbyte，步長(zhǎng)為1 Mbyte。

圖3 地球-火星通信場(chǎng)景中DTN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧Fig.3 DTN protocol in Mars to earth communication scenario

4.2 結(jié)果對(duì)比分析

設(shè)文件大小為1 Mbyte，將式(10)中最優(yōu)化問(wèn)題的解析解與使用優(yōu)化算法(3.1節(jié))得到的最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)值解進(jìn)行比較，如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)為誤碼率，取值分別為1×10-5，5×10-6，1×10-6和1×10-7，縱坐標(biāo)為最優(yōu)LTP段大小的數(shù)值。其中紫色圓圈代表了在各個(gè)誤碼率下的最優(yōu)LTP段大小的數(shù)值解，而黑色五角星代表了在各個(gè)誤碼率下的最優(yōu)LTP段大小的解析解。可以看到，這兩種方式計(jì)算得到的最優(yōu)LTP段大小重合，說(shuō)明本文中式(10)的正確性。同時(shí)，變化發(fā)送文件的大小從1 Mbyte變化到100 Mbyte，步長(zhǎng)為1 Mbyte，不會(huì)對(duì)圖4中兩種方式得到的最優(yōu)值產(chǎn)生影響。

圖4 最優(yōu)化問(wèn)題的解析解與數(shù)值解的對(duì)比圖Fig.4 Comparisons of analytical solution and the numerical solution of the optimization problem

圖5分別給出了采用最優(yōu)的LTP段大小與采用常用的LTP段大小(1400 byte)時(shí)，在不同信道環(huán)境下，傳輸文件時(shí)所需額外傳輸開(kāi)銷。由圖5可以看出，在信道誤碼率為1×10-5條件下，使用最優(yōu)的LTP段大小將消耗0.075 4(額外傳輸開(kāi)銷)，而使用常用的LTP段大小將消耗0.132 7(額外傳輸開(kāi)銷)，因此使用最優(yōu)的LTP段大小將節(jié)省43%(額外的傳輸開(kāi)銷)，相比于使用常用的LTP段大小。在信道誤碼率為5×10-6條件下，使用最優(yōu)的LTP段大小相比于使用常用的LTP段大小節(jié)省了26%(額外傳輸開(kāi)銷)。當(dāng)信道誤碼率較低時(shí)，如為1×10-6和1×10-7，這兩種方案的性能沒(méi)有明顯差別。同時(shí)，注意到上述結(jié)論不會(huì)因?yàn)槲募笮〉淖兓a(chǎn)生變化。

圖5 采用優(yōu)化LTP段大小和常用LTP段大小時(shí)所需額外傳輸開(kāi)銷對(duì)比Fig.5 Comparisons of Wextra between the scheme with the optimal LTP segment size and the scheme with the normal LTP segment size

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析DTN協(xié)議特性的基礎(chǔ)上，利用深空DTN網(wǎng)絡(luò)的額外傳輸開(kāi)銷模型，通過(guò)求導(dǎo)的方式，分析了LTP段大小的取值對(duì)于額外傳輸開(kāi)銷的影響，并且推導(dǎo)出了LTP段大小最優(yōu)值的解析表達(dá)式。建立地球-火星通信場(chǎng)景進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，使用解析表達(dá)式得到的LTP段大小最優(yōu)值與該最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)值解重合，驗(yàn)證了解析表達(dá)式的正確性。在信道誤碼率為1×10-5和5×10-6條件下，使用LTP段大小最優(yōu)值相比于使用常用LTP段大小將分別節(jié)省43%和26%的額外傳輸開(kāi)銷。本文推導(dǎo)出的LTP段大小最優(yōu)值的解析表達(dá)式為未來(lái)深空探測(cè)組網(wǎng)通信時(shí)LTP協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供了優(yōu)化依據(jù)，尤其適用于星上能量資源稀缺的場(chǎng)景。同時(shí)需要指出，在深空DTN網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量而非能量資源時(shí)，需要重新考慮LTP段大小的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這將是后續(xù)的研究?jī)?nèi)容。

References)

[1]張乃通,李暉,張欽宇.深空探測(cè)通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及思考[J].宇航學(xué)報(bào)，2007，28(4)：786-793

Zhang Naitong,Li Hui，Zhang Qinyu. Thought and developing trend in deep space exploration and communication [J]. Journal of Astronautics,2007，28(4)：786-793 (in Chinese)

[2]Durst R C,Feighery P D,Scott K L. Why not use the standard internet suite for the interplanetary internet[EB/OL]. [2017-01-20]. http://www.ipnsig.org/reports/TCP_IP.pdf

[3]Fall K. A delay-tolerant network architecture for challenged internets[C]//In Proceedings of SIGCOMM’03. New York:ACM,2003:27-34

[4]燕洪成,張慶君,孫勇，等.延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在行星際因特網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 航天器工程，2014，23(2)：114-123

Yan Hongcheng,Zhang Qingjun,Sun Yong,et al. Delay/Disruption tolerant network and its application to interplanetary internet [J]. Spacecraft Engineering,2014,23(2):114-123 (in Chinese)

[5]Scott K,Burleigh S. IETF RFC 5050 Bundle protocol specification[S]. Washington D.C.:NASA Jet Propulsion Laboratory,2007

[6]Burleigh S,Ramadas M,Farrell S. IETF RFC 5325 Licklider transmission protocol-motivation[S]. Washington D.C.:NASA Jet Propulsion Laboratory,2008

[7]Ramadas M,Burleigh S,Farrell S. IETF RFC 5326 Licklider transmission protocol-specification[S]. Washington D.C.:NASA Jet Propulsion Laboratory,2007

[8]Bezirgiannidis N,Tsaoussidis V. Packet size and DTN transport service:Evaluation on a DTN Testbed[C]//In 2010 International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops. Moscow:Russia Popov Society,2010:1198-1205

[9]Samaras C,Tsaoussidis V. Adjusting transport segmentation policy of DTN Bundle protocol under synergy with lower layers[J]. Journal of Systems and Software,2011,84(2)：226-237

[10]Jiang F,Lu H. Packet size optimization in delay tolerant networks[C]//In Proceedings of the 11th Annual IEEE Consumer Communications and Networking Conference(CNCC). New York:IEEE Communications Society,2014：392-397

[11]Lu H,Jiang F,Wu J,et al. Performance improvement in DTNs by packet size optimization[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2015,51(4)：2987-2999

[12]Wang Y,Yang H,Chen X,et al. Energy saving scheme of delay/disruption tolerant network in deep space communications[C]//8th International Conference on Wireless Communications & Signal Processing (WCSP2016). New York:IEEE Communications Society,2016

[13]Chong E K P,Zak S H.最優(yōu)化導(dǎo)論[M].孫志強(qiáng)，白圣建，鄭永斌，譯. 4版. 北京：電子工業(yè)出版社,2015:192-195

Chong E K P,Zak S H. An introduction to optimization[M]. Sun Zhiqiang,Bai Shengjian,Zheng Yongbin,translated. 4th ed. Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2015:192-195 (in Chinese)

[14]唐力群,楊明川,肖靖,等.面向火星探測(cè)的中繼通信星座設(shè)計(jì)[J]．國(guó)際太空，2014(8):25-28

Tang Liqun,Yang Mingchuan,Xiao Jing,et al. Design of relay communication constellation for Mars exploration[J]. Space International,2014(8):25-28 (in Chinese)

(編輯：李多)

Optimization in Terms of Extra Transmission Effort of LTP Protocol in Deep Space DTNs

WANG Yang YANG Hong CHEN Xiaoguang DING Kai

(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

The available energy resources in deep space Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) are very limited,and the Licklider transmission protocol (LTP) segment size has an obvious impact on the extra transmission effort,so it is essential to determine the optimal LTP segment size. In this paper,the data transmission process of deep space DTN is analyzed firstly. Then,based on the theoretical model of extra transmission effort,analytical solution of the optimization problem known as the optimal LTP segment size is computed by introducing the derivative of extra transmission effort with respect to LTP segment size.The simulation results show that the optimal LTP segment sizes achieved by the expression of the analytical solution and the numerical solution of the optimization problem coincide. This method can provide a fast and accurate solution to the selection of the LTP segment size,and save the extra transmission effort efficiently in the deep space communications.

delay/disruption tolerant network(DTN); Licklider transmission protocol(LTP); deep space communications; segment-size optimization; extra transmission effort; analytical solution

min:Wextra(Ll)

2017-02-07；

2017-04-07

王洋，女，博士研究生，研究方向?yàn)樯羁胀ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。Email：happyangw@163.com。

TP393

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.012