CN102624506B - 基于双重传策略的深空文件传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双重传策略的深空文件传输方法，包括初次发送阶段及重传阶段。本发明在CFDP延迟NAK模式基础上，仅在重传阶段对错误或丢失的PDUs利用双重传传输策略，即假设单个PDU的错误概率为P，那么两个相同PDU同时发生错误或丢失时的概率为P²，通过减小PDU的错误概率来减少重传次数，从而减低总的文件传输时间，保证了通信的可靠性和有效性。该方案非常适合长距离、高丢包率及连接时间短的场景。

Description

基于双重传策略的深空文件传输方法

技术领域

本发明涉及一种深空文件传输方法，尤其涉及一种基于双重传策略的深空文件传输方法。

背景技术

深空通信与地面通信有很大差异，其面临的主要挑战为：1、长时延；2、链路断续；3、高且可变的误码率；4、链路非对称；现有通信协议有以下几种，但各有缺点。

1.TCP协议在深空通信中性能很差

深空通信所面临的上述挑战使得传统的TCP协议直接应用到深空通信系统中会出现很多问题。首先，深空通信中传播延时巨大，例如，火星到地球的往返时延根据星体的轨道位置不同通常在8.5到40分钟之间，如果往返时延大于通信持续时间，那么应用数据根本没有传输的机会。其次，由于星体自身的转动会造成深空通信链路周期性中断，而传统的TCP协议是一种面向连接的通信协议，在链路中断的情况下，TCP协议无法区分数据包丢失的原因是网络拥塞还是信道误码，它主要通过降低报文发送速率以避免拥塞的策略来处理误码。此外，吞吐量会随着确认信息ACK的丢失进一步恶化。再次，深空信道的误码率(BER)通常比地面信道的误码率大，典型的深空通信误码率为10^-5，那么会产生过多的ACK，从而产生拥塞问题。最后，上行与下行链路的信息速率不对称对TCP的吞吐量影响也非常大。由于TCP协议通过ARQ机制保证按顺序发送文件信息，任一丢失的数据包将引起该数据包之后的所有数据重新发送，进一步延长资源占用缓存的时间，不适用于缓存空间和处理能力有限的深空探测器。综上所述，现有的TCP协议在深空通信中的传播时延长、误码率高、非对称链路、链路断续以及异构网络等问题上面临严峻的挑战。在链路时延或者时延带宽积较大的深空网络，各种TCP改进协议相差不大且性能很差，在地球-火星之间TCP协议甚至无法通信。

2.UDP协议不可靠

UDP是面向无连接的通信协议，其通信时不需要接收方确认，属于不可靠的传输。由于深空通信中的数据业务大都为珍贵的图像及科学数据，要求协议必须提供必要的重传机制以保证可靠的数据传输。

3.SCPS-TP协议

该协议已很少应用于空间通信，SCPS-TP的可靠传输依然是采用先建立连接再传送数据的模式，在Go-back-N的ARQ基础上提供选择重传(SNACK)机制，仅要求重传未收到的那部分数据，但是未充分利用重传机制。

4.TCP-Planet协议

由于该协议也是在TCP基础上改进而来的，其采用选择性肯定应答(SACK)重传机制来提供可靠的服务，在深空大时延及高误码率情况下，极易产生拥塞问题，信道利用率低。

5.萨拉托加协议

萨拉托加协议为了在对等节点间交换“bundles”，在DTN网络里提供了一种基于IP包的汇聚层，支持“bundles”的存储-转发。它采用SNACK实现了IP包基于UDP的传输，属于不可靠的传输协议。

6.DTNBP+LTP协议

虽然DTN框架非常适合深空通信的特点，毕竟BP+LTP协议仅规定了一个协议框架，而不是一个具体的协议实现，好多问题还需深入研究。

7.CFDP协议

CFDP提供端到端的文件传输服务。其实现横跨应用层与传输层，包含两种操作：核心与扩展。其采用否定应答(NAK)ARQ机制来实现可靠通信。但是在重传机制方面只要求重传错误或丢失的PDU一次，这在传输距离非常远，链路误码率极高的环境下性能会变差。

综上所述，有必要针对CFDP协议中的重传机制进行优化，使之更灵活地适应复杂的深空通信。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于双重传策略的深空文件传输方法，包括初次发送阶段及重传阶段，

初次发送阶段进一步包括以下步骤：

步骤A)：发送端顺序地发送元数据PDU和所有文件数据PDUs。

步骤B)：当所有PDUs发送完毕后，发送一个EOF PDU，然后等待ACK(EOF)和NAK。

步骤C)：发送端如果收到ACK(EOF)和NAK后没有需要重传的PDU，则关闭事务，否则转入重传阶段。

重传阶段进一步包括以下步骤：

步骤D)：发送端一旦收到NAK，立即连续重传每一丢失或错误的PDUK次。

步骤E)：接收端统计收到的PDUs，如仍有错误或丢失的PDUs，再次发送NAK要求发送端重传所需PDUs。

步骤F)：如仍有错误或丢失的PDU，重复步骤E))，直到接收端成功收到所有的PDUs，然后关闭事务。

本发明的进一步改进为，所述基于双重传策略的深空文件传输方法满足以下公式：

$\mathrm{\Δ}(K-1)=-\frac{T_K-T_1}{P_K-P_1}$

其中，K为重传次数，T_K为K重传阶段所花时间，T₁为标准延迟型NAK重传所用时间；P_K为K重传阶段所重传的PDU的数目，P₁为标准延迟型NAK重传的PDU个数，Δ(K-1)比值表示每额外增加一个PDU所带来的文件传输时间的减少量，所述K≥2。

本发明的进一步改进为，所述K≥2。

本发明的进一步改进为，所述K＝2。

相较于现有技术，本发明在CFDP延迟NAK模式基础上，仅在重传阶段对错误或丢失的PDUs利用双重传传输策略，即假设单个PDU的错误概率为P，那么两个相同PDU同时发生错误或丢失时的概率为P²，通过减小PDU的错误概率来减少重传次数，从而减低总的文件传输时间，保证了通信的可靠性和有效性。该方案非常适合长距离、高丢包率及连接时间短的场景。

附图说明

图1是本发明基于双重传策略的深空文件传输方法的延迟NAK模式的平均文件传输时间示意图

图2是本发明基于双重传策略的深空文件传输方法在不同重传次数下的Δ(K-1)对PDU错误概率示意图

图3是本发明基于双重传策略的深空文件传输方法在三种典型场景下Δ(K-1)对PDU错误概率示意图

图4是本发明基于双重传策略的深空文件传输方法在双重传延迟NAK模式下的数值分析与随机仿真示意图

图5是本发明基于双重传策略的深空文件传输方法的平均文件传输时间对PDU错误概率示意图

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

请参阅图1至图5，本发明提供了一种基于双重传策略的深空文件传输方法。本发明的基于双重传策略的深空文件传输方法基于CFDP协议中的延迟NAK型可靠传输模式，在文件传输时间与吞吐量之间做了一个合理的折衷，把整个文件传输分为初次发送与重传两个阶段。本发明的基于双重传策略的深空文件传输方法在文件传输时间方面优于传统延迟型NAK模式，非常适合连接时间短、长传播时延及丢包率高的场景。

本发明的基于双重传策略的深空文件传输方法包括初次发送阶段及重传阶段，

初次发送阶段进一步包括以下步骤：

步骤A)：发送端顺序地发送元数据PDU和所有文件数据PDUs。

步骤B)：当所有PDUs发送完毕后，发送一个EOF PDU，然后等待ACK(EOF)和NAK。

步骤C)：发送端如果收到ACK(EOF)和NAK后没有需要重传的PDU，则关闭事务，否则转入重传阶段。

重传阶段进一步包括以下步骤：

步骤D)：发送端一旦收到NAK，立即连续重传每一丢失或错误的PDUK次。

步骤E)：接收端统计收到的PDUs，如仍有错误或丢失的PDUs，再次发送NAK要求发送端重传所需PDUs。

步骤F)：如仍有错误或丢失的PDU，重复步骤E))，直到接收端成功收到所有的PDUs，然后关闭事务。

为了衡量在文件传输时间与吞吐量折衷条件下所需合适的重传次数，本发明定义一个比值： $\mathrm{\Δ}(K-1)=-\frac{T_K-T_1}{P_K-P_1}$ (1)

其中，K为重传次数，T_K为K重传阶段所花时间，T₁为标准延迟型NAK重传所用时间；定义P_K为K重传阶段所重传的PDU的数目，而P₁为标准延迟型NAK重传的PDU个数。所述K≥2，Δ(K-1)表示每额外增加一个PDU所带来的文件传输时间的减少量，用这个比值来衡量所提方案的性能。

考虑在地球到火星场景下，考察方案在不同丢包率及重传次数条件下的性能变化情况。为了比较全面准确地反映性能变化情况，丢包率设在0.01至0.5范围内，重传次数从2到10次。利用MATLAB平台仿真，得到的结果如图2所示。

从图2可以明显看出，随着重传次数的增加，Δ(K-1)的值是逐渐下降的，表示文件传输时间的减少量越来越少。在不同丢包率下的Δ(2-1)始终处于其它情况之上。如果重传次数继续增加(从3到10次)，当丢包率在0.1到0.5范围内时，曲线会慢慢趋于平坦。基于上述分析，确定K＝2。也就是说在折衷情况下，重传两次所带来的贡献是最大的。故把这种方案称之为双重传延迟型NAK。此外，从图2还可以看出，重传超过5次后所带来的文件传输时间减少量越来越少，故在限制重传次数最大为5次以及丢包率为0.1至0.5范围内，在三种典型场景下重新做了仿真，如图3所示。

从图3可以看出：第一，Δ(K-1)的值在不同丢包率下随重传次数K的增大而逐渐减小，并且在K＝2的情况下文件传输时间减少量最大。第二，当丢包率比较高时，特别是在“深衰落”阶段时文件传输时间减少量趋于最大。对于GEO场景，图3(a)中的比值全部为负值，这是因为在单向传播时间很小的情况下，重传时间完全被重传PDU的个数所决定。对于地球到月球和地球到火星场景，在丢包率分别为0.4和0.5时，Δ(2-1)的值最大，分别为25.3ms和35s。这说明随着传播距离的增加及丢包率的升高，可以实现更大的文件传输时间的减少量。

方案比较：用MATLAB对地球到火星场景下的双重传延迟型NAK方案做了数值分析和随机仿真对比，从图4可以看出，仿真结果与理论分析非常匹配。

图5画出了在地球到火星场景下的平均文件传输时间对PDU错误概率的曲线。可以看出，在双重传延迟NAK模式下，平均文件传输时间明显减小了。这是因为随着地球与目标星体距离的增大，单向传播时间也跟着增加，整个文件的传输时间的变化完全被乘积项所决定，每减少一次重传，就可节省2T_prop的传输时间。此外，当PDU错误概率超过0.1时，平均文件传输时间的减少量是很显著的。

本发明在CFDP延迟NAK模式基础上，仅在重传阶段对错误或丢失的PDUs利用双重传传输策略，即假设单个PDU的错误概率为P，那么两个相同PDU同时发生错误或丢失时的概率为P²，通过减小PDU的错误概率来减少重传次数，从而减低总的文件传输时间，保证了通信的可靠性和有效性。该方案非常适合长距离、高丢包率及连接时间短的场景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于双重传策略的深空文件传输方法，其特征在于：包括初次发送阶段及重传阶段，

初次发送阶段进一步包括以下步骤：

步骤A)：发送端顺序地发送元数据PDU和所有文件数据PDUs；

步骤B)：当所有PDUs发送完毕后，发送一个EOF PDU，然后等待EOF-ACK和NAK；

步骤C)：发送端如果收到EOF-ACK和NAK后没有需要重传的PDU，则关闭事务，否则转入重传阶段；

重传阶段进一步包括以下步骤：

步骤D)：发送端一旦收到NAK，立即连续重传每一丢失或错误的PDU K次；

步骤E)：接收端统计收到的PDUs，如仍有错误或丢失的PDUs，再次发送NAK要求发送端重传所需PDUs；

步骤F)：如仍有错误或丢失的PDU，重复步骤E)，直到接收端成功收到所有的PDUs，然后关闭事务；

所述基于双重传策略的深空文件传输方法满足以下公式：

$\mathrm{\Δ}(K-1)=-\frac{T_K-T_1}{P_K-P_1}$

其中，K为重传次数，T_K为K重传阶段所花时间，T₁为标准延迟型NAK重传所用时间；P_K为K重传阶段所重传的PDU的数目，P₁为标准延迟型NAK重传的PDU个数，Δ(K-1)比值表示每额外增加一个PDU所带来的文件传输时间的减少量，所述K≥2。

2.根据权利要求1所述基于双重传策略的深空文件传输方法，其特征在于：所述K＝2。