趙 揚，陶孝鋒，荊元利，張大鵬

1 引言

傳統(tǒng)的地面?zhèn)鬏攨f(xié)議已經(jīng)不能滿足高延遲、高誤碼、非對稱帶寬、斷續(xù)鏈路的深空通信環(huán)境，需要研究深空通信協(xié)議為遠離地球的航天器、航天員回傳數(shù)據(jù)提供可靠保障?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)總結(jié)了4種可用于空間網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議構(gòu)架：自定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、CCSDS的CFDP協(xié)議、IP協(xié)議和延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay/Disruption Tolerant Network，DTN)。 其中 DTN 被認為是最適合作為空間網(wǎng)絡(luò)互連的協(xié)議構(gòu)架[1]。DTN體系構(gòu)架的核心是束協(xié)議(Bundle Protocol，BP)和利克里德傳輸協(xié)議(Licklider Transmission Protocol，LTP)。

目前國際標準制定機構(gòu)已制定出部分DTN相關(guān)標準，如ITEF(the Internet Engineering Task Force)[2-5]及 CCSDS[6-7]?？蒲腥藛T對 BP/LTP協(xié)議進行了分析及仿真。Wang等[8]通過JPL實驗室的ION軟件搭建仿真平臺，在不同傳播時延與誤碼率條件下對地月通信中使用BP/LTPCL、BP/TCPCL、BP/UDPCL協(xié)議的性能進行仿真，得出LTPCL在傳播延遲大于4 s或誤碼率高于10-5時，性能明顯優(yōu)于TCPCL，且整體性能優(yōu)于UDPCL；Nikolaos等[9]在BP層不采取聚合策略推導(dǎo)出了LTP協(xié)議下束的重傳次數(shù)與誤碼率、LTP分段大小間的概率關(guān)系；Burleigh[10]認為確認鏈路帶寬一般較小，推薦將多個BP束進行聚合，作為一個數(shù)據(jù)塊進行傳輸，以降低回復(fù)應(yīng)答的數(shù)量，避免回復(fù)鏈路阻塞，提高DTN網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率；Nikolaos等[11]通過包含真實衛(wèi)星鏈路及ION軟件的仿真測試床，對地球與火星間的數(shù)據(jù)傳輸DTN網(wǎng)絡(luò)性能進行仿真，重點關(guān)注LTP分段大小、BP束大小對傳輸時間、節(jié)點內(nèi)存占用、額外開銷等指標的影響，并提出與文獻[10]相反的論斷：將多個BP束聚合到一個數(shù)據(jù)塊，利用LTP傳輸?shù)牟呗允菬o用的；Yu等[12]基于ION搭建的仿真平臺針對非對稱信道上DTN網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量進行仿真，提出由于確認鏈路帶寬極低引起的LTP協(xié)議接收方對數(shù)據(jù)段的確認消息(Report Segment，RS)阻塞導(dǎo)致DTN傳輸性能下降，需要采用BP束聚合傳輸策略，以降低RS發(fā)送數(shù)量；Hu等[13]針對深空不對稱鏈路的特點，給出避免應(yīng)答鏈路阻塞的最小束匯聚值的計算方法；黃天雨[14]針對中繼通信環(huán)境中BP協(xié)議存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略，要求必須接受完整束后才能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致第二跳鏈路會出現(xiàn)浪費的情況，提出將BP協(xié)議中最小轉(zhuǎn)發(fā)粒度由一個完整束降到下層LTP協(xié)議中的數(shù)據(jù)段，以此提高兩跳傳輸效率，該方案與現(xiàn)有BP協(xié)議的設(shè)計理念不同：通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，非完整束傳輸也會帶來上層數(shù)據(jù)恢復(fù)管理的困難。

現(xiàn)有BP/LTP協(xié)議仿真及性能分析聚焦于傳輸性能，關(guān)注于單會話情況，即只考慮同時發(fā)送單個LTP數(shù)據(jù)塊，并且缺乏考慮中繼節(jié)點對BP/LTP協(xié)議傳輸?shù)挠绊?。而實際為了充分利用鏈路帶寬，LTP協(xié)議會盡可能多的開啟會話，并發(fā)傳輸。目前地月、地火通信傳輸存在中繼節(jié)點，后續(xù)更遠星系探測等任務(wù)數(shù)據(jù)通信可能會有更多中繼層次。針對目前研究人員對束聚合策略效能的2種不同態(tài)度[10-11]，本文考慮LTP層并發(fā)多會話傳輸，關(guān)注中繼深空通信環(huán)境下束聚合對傳輸性能的影響，通過建模及數(shù)值實驗在中繼深空通信環(huán)境下檢驗束聚合策略的效能。

2 DTN網(wǎng)絡(luò)簡介

2.1 BP/LTP協(xié)議

一個典型的深空通信協(xié)議棧如圖1所示[15]，BP/LTP協(xié)議為其最關(guān)鍵的2個協(xié)議。BP協(xié)議位于應(yīng)用層與傳輸層間，覆蓋于不同網(wǎng)絡(luò)之上，通過調(diào)用不同匯聚層適配器實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。LTP協(xié)議作為傳輸協(xié)議，解決Internet網(wǎng)絡(luò)中TCP傳輸協(xié)議在深空時斷網(wǎng)絡(luò)中存在低效問題，可為上層提供可靠高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，可運行于UDP上，也可運行在CCSDS空間鏈路層協(xié)議上，甚至可以直接部署于鏈路層上。

圖1 深空中繼通信DTN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧[15]Fig.1 DTN protocol stack of deep space relay communication[15]

2.2 文件劃分及匯聚策略

DTN網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)劃分如圖2所示：應(yīng)用層數(shù)據(jù)文件按照BP協(xié)議在覆蓋層被劃分為多個束(bundle)，各個 bundle相互獨立傳輸。然后bundle在傳輸層上按照LTP協(xié)議將一個或多個bundle聚合成一個數(shù)據(jù)塊(block)，LTP協(xié)議使用一個會話(session)傳輸一個block，為了最大化信道利用，LTP同時開啟多個會話。接著依照鏈路層MTU要求將各個block劃分為數(shù)據(jù)段(segment)，添加鏈路層幀頭在鏈路層上傳輸。LTP協(xié)議對于要求可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)段設(shè)置為紅色數(shù)據(jù)段(red segment)，使用應(yīng)答重傳機制，否則設(shè)為綠色數(shù)據(jù)(green segment)。接收方在接收到帶有檢查點(check point，CP)標記的數(shù)據(jù)段時需回復(fù)接收報告RS，標記數(shù)據(jù)段的接收情況，所有未接收成功的數(shù)據(jù)段需要重傳，每個block紅色段結(jié)尾被強制標記CP，以保證紅色部分數(shù)據(jù)的可靠傳輸。本文假設(shè)所有數(shù)據(jù)都是紅色數(shù)據(jù)段，即要求可靠傳輸，不考慮綠色數(shù)據(jù)段情況。

圖2 數(shù)據(jù)劃分Fig.2 Data partition

可以看出，bundle在聚合成LTP層的block時，聚合個數(shù)m代表了聚合程度，當(dāng)m=1時，表示一個block容納一個bundle，即不聚合；當(dāng)m＞1時，表示一個block容納多個bundle，即采用聚合策略。目前LTP標準中沒有聚合策略的描述[6]，即默認m=1。

表1 符號含義Table 1 Meaning of symbols

3 深空中繼通信傳輸時延分析

3.1 LTP協(xié)議傳輸流程

以圖1所示的典型深空中繼通信兩跳網(wǎng)絡(luò)，兩跳都采用BP/LTP協(xié)議為例，分析在該環(huán)境下束聚合策略對BP/LTP性能的影響。本文所用符號含義如表1所示，后文不再贅述。

傳輸層LTP協(xié)議將BP層的束以block為單位組織，以segment為最小顆粒傳輸數(shù)據(jù)，BP層接收到LTP發(fā)來的完整bundle后，為應(yīng)用層組織恢復(fù)原數(shù)據(jù)。因為每個block在各自會話中獨立發(fā)送，互不影響，因此這里以一個block發(fā)送交互過程為例：一個block被分為多個segment在鏈路層上傳輸，發(fā)送方在block尾標記CP，接收方需對接收情況進行反饋RS，發(fā)送方對于RS中標記的未接收segment進行重新發(fā)送，在最后一個數(shù)據(jù)段尾標記CP，以此重復(fù)交互傳輸直至接收方回復(fù)的RS中表明所有segment都已成功接收。發(fā)送方發(fā)送的CP段及接收方回復(fù)的RS都有可能丟失或誤碼，因此發(fā)送方在發(fā)送CP、接收方在發(fā)送RS后會啟動定時器，當(dāng)超時未接收到對方回復(fù)時，會重新進行發(fā)送，一般超時定時器設(shè)為2倍的傳播時延加發(fā)送處理時延。圖3給出了一個中繼通信中一個block的傳輸過程，當(dāng)中繼節(jié)點接收到一個完整的block(包含若干bundle)時才能上交給BP層進行下一步操作。

1)聚合尺寸限制。當(dāng)信道非對稱比很高，即確認信道容量比數(shù)據(jù)信道的容量小很多，確認信道容量有限，若傳輸大量RS確認信息，則會造成RS確認信息的阻滯延遲。Hu等研究給出LTP協(xié)議傳輸文件時避免確認信道上確認信息RS延遲的計算公式[13]，如式(1)所示：

式中，mmin為LTP協(xié)議中避免確認信道上確認信息RS擁塞延遲的block數(shù)據(jù)塊最小匯聚尺寸。

2)最大會話數(shù)。LTP的會話為成功傳輸一個block而進行的一些數(shù)據(jù)段的傳輸交互過程。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎妥畲罄脤氋F的深空通信鏈路資源，LTP協(xié)議能夠同時開啟多個會話，而不需要等到這一次會話結(jié)束才開啟下一次會話。一次會話發(fā)送一個LTP數(shù)據(jù)塊，在鏈路允許的情況下開啟的會話量盡可能多。這將允許在鏈路上以并行的方式發(fā)送多個數(shù)據(jù)塊。由于發(fā)送及接收節(jié)點的存儲空間是有限的，發(fā)送方能夠同時開啟的會話數(shù)也是有限的。最大會話數(shù)(NOS)計算見式(2)所示：

當(dāng)所有的會話都處于占用狀態(tài)，后續(xù)數(shù)據(jù)塊將處于等待狀態(tài)，直到前面開啟的會話關(guān)閉。

3.2 傳輸時間分析

3.2.1 單會話傳輸時間

對于信道誤碼率為Perr的無線環(huán)境，長度為Lseg的幀的誤幀率Pseg=1-(1-Perr)Lseg，傳輸次數(shù)小于k次能成功傳輸?shù)母怕蕿閗-1次全部失敗的補，即Pseg(TN ＜k)=1-(1-Pseg)k-1，其中TN表示傳輸次數(shù)。對于一個含有n個segment的block(最后一個帶有CP標記)，其在k次傳輸內(nèi)能將所有segment成功傳輸?shù)母怕蕿?不包括CP段)Pblock(TN ＜ k)= [Pseg(TN＜k)]n-1=(1-Psegk-1)n-1，那么TN=k的概率[9]Pblock(TN=k)=Pblock(TN＜k+1)-Pblock(TN＜k)=(1-，因此一個block傳輸次數(shù)TN的期望見式(3)：

1)一個block發(fā)送時間Ttrans：一個block包含傳輸成功服從成功概率為1-Pseg的幾何分布，因此

2)一個 block傳播時延 Tprop_block如式(5)所示[16]：

3)CP段及 RS段超時時間如式(6)、(7)所示[16]：

由于最大會話數(shù)限制為NOS個，那么一次可發(fā)送的 block數(shù)為 NOS個，當(dāng)中繼節(jié)點接收到LTP協(xié)議傳來的某個block的完整部分后，即可上交給BP層進行轉(zhuǎn)發(fā)。每個會話獨立傳輸，那么每個block的總傳輸時間在相同環(huán)境中獨立同分布，即其傳播時間服從獨立同分布，期望值都為Tblock。

3.2.3 中繼傳輸時間

1)當(dāng)?shù)谝惶鴤鬏斊谕麜r間大于第二跳，那么整個應(yīng)用數(shù)據(jù)經(jīng)過中繼節(jié)點到達目標節(jié)點時，中繼節(jié)點會等待數(shù)據(jù)的到來，接著轉(zhuǎn)發(fā)至目標節(jié)點，總傳輸時間期望如式(9)所示：

2)當(dāng)?shù)谝惶鴤鬏斊谕麜r間小于第二跳，那么中繼節(jié)點需緩存第一跳傳來尚不能發(fā)送往第二跳的數(shù)據(jù)，總傳輸時間期望如式(10)所示：

圖4 中繼傳輸Fig.4 Relay transmission

4 數(shù)值實驗

針對火星-中繼衛(wèi)星-地球3節(jié)點深空網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)值實驗：火星到中繼衛(wèi)星傳播時間平均約為600 s，中繼衛(wèi)星到地球傳播時間約為0.12 s；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸誤碼率要求為 10-6；Burleigh[10]建議bundle尺寸不大于60 KB，本文選擇40 KB；LTP協(xié)議的最優(yōu)segment大小盡量接近鏈路層的MTU[11]為1500 B，本文設(shè)置為1400 B；協(xié)議中的bundle及segment頭長度分別為28 B和46 B；參考余倩[16]的前反向鏈路速率參數(shù)設(shè)置4 Kbps及2 Mbps，本文數(shù)值實驗的參數(shù)如表2所示。

表2 實驗參數(shù)Table 2 Experiment parameters

依據(jù)表2參數(shù)，由式(1)可得到最小匯聚尺寸mmin，復(fù)鏈路不會產(chǎn)生擁塞。后續(xù)試驗不再考慮回復(fù)鏈路擁塞情況。

圖5、圖6為單個會話中block一跳發(fā)送成功各部分占用的時間，可見在深空傳輸中，傳播時延占據(jù)了絕大多數(shù)時間花銷。隨著信道誤碼率從10-6惡化為10-5時，CP確認段傳輸時間占比有所增加，因為誤碼率的增大引起CP段誤碼或丟失導(dǎo)致發(fā)送超時，帶來2倍傳播時間的定時器超時時間花銷。

圖5 一個blcok發(fā)送成功所需各部分時間(P err=10-5)Fig.5 Time spent on sending a block by each part(P err=10-5)

圖6 一個block發(fā)送成功所需各部分時間(P err=10-6)Fig.6 Time spent on sending a block by each part(P err=10-6)

圖7 為誤碼率為10-6信道條件下，一個會話中的數(shù)據(jù)block發(fā)送成功所用時間，可見隨著束匯聚個數(shù)m的增大，每個會話需要成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量變大，所需時間也隨之變大。特別是在m從1到10之間，所需時間增速最快，原因是期望傳輸交互次數(shù)Eblock(TN)在開始時增長較快，導(dǎo)致占據(jù)時間花費的主要部分Tprop_block迅速增長。

圖8為最大會話數(shù)NOS與束匯聚個數(shù)m的關(guān)系。由于BP協(xié)議的存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略在成功發(fā)送完一個完整束之間節(jié)點需保存發(fā)送數(shù)據(jù)，隨著m的增大，數(shù)據(jù)block變大，因此節(jié)點能同時保存的數(shù)據(jù)block個數(shù)隨之降低，能開啟的最大會話數(shù)NOS減少。

圖7 一個block成功發(fā)送時間(P err=10-6)Fig.7 Total time spent on sending a block(P err=10-6)

圖8 NOS與束匯聚個數(shù)m關(guān)系Fig.8 Relationship between NOS and m

圖9 為整個文件從源經(jīng)過中繼發(fā)送至目的節(jié)點的時間，可以看出隨著m的增大，總傳輸時間也隨之變大(其中的波動是因為最大會話數(shù)取下整導(dǎo)致)。由于每次可開啟NOS個會話，每批的NOS個block發(fā)送時間期望相同，因此近似的估計所有block需要的平均傳輸批次與束匯聚個數(shù)m無關(guān)，如式(11)所示：

總時間變化的原因是在最大化鏈路利用條件下，較大block的成功傳輸需要較多時間(圖7)，在總批次不變的前提下，總時間也隨之增大。

圖9 文件總傳輸時間Fig.9 Total time spent on file transmission

圖10 為不同緩存大小時的數(shù)據(jù)傳輸時間，可見提高節(jié)點緩存大小，能夠減小總傳輸時間，這是因為在實驗中傳播時延Tprop_block是影響總傳輸時間的決定性因素，越大的節(jié)點緩存，可以提高最大會話數(shù)量NOS，增大并發(fā)數(shù)據(jù)量，提升鏈路利用，因此總傳輸時間隨之下降。但總傳輸時間并不隨節(jié)點緩存C的增大一直下降，因為當(dāng)節(jié)點緩存增大到一定程度后，同時傳輸量增過大，每個會話平均可用帶寬過低，數(shù)據(jù)發(fā)送時間Ttrans迅速增長成為主要因素，總傳輸時間此時會逐漸增大。

圖10 不同節(jié)點緩存能力下的總時間花費Fig.10 Total time spent for different cache capabilities

5 結(jié)論

針對深空中繼通信環(huán)境，分析了應(yīng)用數(shù)據(jù)在不同束匯聚尺寸下的傳輸時間花費期望。

1)在節(jié)點固定緩存大小約束條件下，如果應(yīng)答鏈路不阻塞，隨著束匯聚尺寸的增大，數(shù)據(jù)傳輸時間花費期望隨之增大，即越小的匯聚尺寸傳輸時間越小。因此選擇保證回復(fù)鏈路不阻塞的最小束匯聚尺寸，能帶來較高的傳輸效率。

2)隨著節(jié)點緩存大小的增加，數(shù)據(jù)傳輸效率隨之增高，但過大的緩存會導(dǎo)致并發(fā)回話數(shù)過多，帶寬不足成為主要限制，數(shù)據(jù)傳輸效率又會逐步降低。