CN105049152A - 面向空间差错信道的dtn网络数据聚合传输方法 - Google Patents

Abstract

在本发明提出了一种在高差错双向链路上利用bundle聚合的容迟/容断网络数据传输方法。本发明主要是将多个数据包聚合到一个大的数据包中，在高误码率的深空环境下进行传输，通过bundle的聚合减少数据包的个数，从而减少反馈包的个数，减少数据传输时间，提高数据传输的吞吐量。当反向链路差错率较高时，过多的bundle聚合会导致RS变大，RS出错的概率增加，影响数据传输的吞吐量。本发明对RS的结构进行了改进，使得它的大小即使在误码率很高的情况下，也只在小范围内变化。本发明从一定程度上有效的解决了当前DTN网络上下行链路不对称和高误码率情况下吞吐量降低的问题。

Description

面向空间差错信道的DTN网络数据聚合传输方法

技术领域

本发明涉及深空通信技术领域，尤其涉及一种面向空间差错信道的DTN网络数据聚合传输方法。

背景技术

容迟/容断网络(DTN,Delay/Disrupt-TolerantNetworking)由Fall等于2003年提出，为空间互联网的实现提供了一种可能的解决方案，目前主要公开的研究机构是DTN研究小组(DTNRG,DTNResearchGroup)。由于星际互联网包含多种不同的通信场景，其传播时延、信道状况存在差异，深空骨干网络和临近网络等局部网络所采用的底层协议也不尽相同。DTN通过在应用层和局部底层网络之间引入覆盖层——bundlelayer为不同应用提供数据传输服务，实现局部网络间互通互联，并支持在局部网络中采取各自性能最优协议。图1-2为DTN异构互连示意图。同时由于深空链路传播延迟长且不固定，依赖于协商、查询/响应等会话交互难以实现，DTN应用层将消息打包成覆盖层数据单元bundle，采用异步传输模式进行虚消息转发。为了保障数据在频繁中断网络中可靠传输，DTN采取存储-转发模式，bundle在节点中存储于永久存储设备中直到下一次传输机会到来时发送。

DTN协议体系主要包括BP协议(bundleprotocol)、LTP协议(LickliderTransmissionProtocol)、Saratoga协议、LTP-T协议(LTPTransport)和DTTP协议(Delay-TolerantTransportProtocol)等。DTN协议借鉴了前两种协议体系相关思想，对其不足之处做了相应修改，成为未来互联网重要发展方向。2008年，美国NASA实施了名为深度撞击网络试验(DINET,DeepImpactNetworkExperiment)，通过深度撞击航天器(DI,DeepImpact)完成了第一次基于BP和LTP协议的数据传输，验证了DTN协议在空间网络中的应用。然而，DTN协议体系提出时间较短，在某些协议细节方面例如拥塞控制、优化传输、路由、时间同步等不够完善，具有广阔的研究前景。

深空通信一个很突出的特点是上下行链路不对称，下行链路的传输速率比较快，上行链路的传输速率比较慢。这样会导致单位时间内下行链路传输的数据包的个数，比单位时间内上行链路传输的反馈包的个数多。这样会导致部分数据包必须等待它的反馈包到达发送节点时，它才能进行下一步的传输，增加的数据传输的等待时间，降低了吞吐量。

深空通信还有一个很突出的特点是数据传输误码率非常高。在这样的情况下，数据包(bundle)聚合必然导致数据包的增大。数据包的增大使得数据包丢包和出错的概率增大，因此反馈包(RS)的个数也增大，那么反馈包RS出错和丢包的概率也增大。再加上反馈链路的速率比较低，必然导致更大的延迟。

由于空间数据传输信道不对称且误码率高的特性，数据传输一直都面临着各种困难：

空间DTN网络中上下行的传输速率是不对称的，传输速率的比率可能从1:1到1:400不等。在对称的情况下，传输一个bundle返回一个RS是没有问题的，不会产生时延和拥塞等情况。但是在不对称的情况下，如果仍然采用传统的传输策略的话，比较大的时延就是无法避免的。由于误码率高，可能导致数据的重传这样会产生一定的延迟，这是无法避免的。但是由于信道传输速率不对称，下行传输速率比较快，上行传输速率比较慢。在单位时间内传输bundle的个数，比单位时间内反馈的RS的要多，使得bundle必须等待RS传输完之后再进行后续的传输，使得时延增大。

于是研究者提出了bundle聚合的传输方式。在信道速率对称的情况下，bundle聚合在理想条件和低误码率条件下的实际吞吐量的提升还是比较明显的，但是在高误码率的条件下，性能的提升较小。而在信道不对称的情况下，理想条件和低误码率条件下，实际吞吐量的提升比对称信道的提升还要明显，但是在低误码率的条件下，实际吞吐量几乎为0。由前面的分析可以知道，RS的丢包率和RS的大小时有很大关系的。在高误码率的条件下，再加上由于bundle的聚合，block的大小也大大增加了。所以LTP层segments的丢失个数也大大增加。RS的大小与LTP层中segments的丢失个数是成正比的。所以RS的大小也随着block和误码率的增大而增大。在不聚合的情况下，虽然bundle传输的实际吞吐量比较低，但是不至于为0。

因此，可以得出在深空传输中，误码率较高的情况下，bundle的聚合不能带来实际吞吐量的提升，反而会将实际吞吐量降到最低。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种面向空间差错信道的DTN网络数据聚合传输方法，将多个数据包聚合到一个大的数据包中，在高误码率的深空环境下进行传输，通过bundle的聚合减少数据包的个数，从而减少反馈包的个数，减少数据传输时间，提高数据传输的吞吐量。同时，对RS的结构进行了改进，使得bundle聚合的传输方法在高误码率的情况下也提高数据传输的吞吐量。

本发明通过以下技术方案实现：

一种向空间差错信道的DTN网络数据聚合传输方法的具体步骤如下：

步骤1：数据从应用程序传输到bundleprotocol(BP)层；

步骤2：数据在BP层被均分成n段，再将每f段数据装入BP层的数据包bundle中，数据被打包到bundle中后，传输到LTP层；

步骤3：将每m个bundle打包到一个LTP层数据包block中进行传输，传输的过程中block被分成k个segments进行传输；

步骤4：接收一个block必须反馈一个RS到发送节点；对RS的结构进行修改，使得RS即使在高误码率的情况下，它的变化也不足以影响数据传输的吞吐量。

作为本发明的进一步改进，所述对RS的结构进行修改具体为：将RS的接收声明修改为k个比特的字段，所述k个比特对应顺序传输的k个segments是否接收成功的指示。

作为本发明的进一步改进，1代表接收成功，0代表需要重传；初始化时，接收声明的所有位都置为0。

作为本发明的进一步改进，所述m根据不同上下行传输速率比和高误码率情况进行设置。

本发明的有益效果是：本发明提出的在高差错双向链路上利用bundle聚合的容迟/容断网络数据传输方法。本发明主要是将多个数据包聚合到一个大的数据包中，在高误码率的深空环境下进行传输，通过bundle的聚合减少数据包的个数，从而减少反馈包的个数，减少数据传输时间，提高数据传输的吞吐量。当反向链路差错率较高时，过多的bundle聚合会导致RS变大，RS出错的概率增加，影响数据传输的吞吐量。本发明对RS的结构进行了改进，使得它的大小即使在误码率很高的情况下，也只在小范围内变化。本发明从一定程度上有效的解决了当前DTN网络上下行链路不对称和高误码率情况下吞吐量降低的问题。

附图说明

图1是数据在DTN协议栈中的分段和聚合过程示意图；

图2是现有技术中的RS包结构示意图；

图3是本发明的RS包结构示意图；

图4是本发明的数据聚合传输方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

首先对以下符号进行定义：

N：一个block聚合bundle的个数；

Goodput:有效吞吐量；

RTT：bundle的往返传播时间；

T_b：传输一个bundle需要的时间；

T_R：传输一个RS需要的时间；

T_B:聚合后传输一个block所需要的时间；

T_R'：聚合后传输一个RS需要的时间；

D_b:一个bundle的数据大小；

D_head：一个bundle的包头信息大小。

(1)对一般的bundle传输策略，即一个block装一个bundle的情况，得到它的实际吞吐量的表达式为：

$Goodput1=\frac{N*\left(D_b-D_{head}\right)}{N*RTT+N*T_b+N*T_R}=\frac{D_b-D_{head}}{RTT+T_b+T_R}---\left(1\right)$

(2)在基于bundle聚合的情况，即将多个bundle装到一个block中的情况，得到它的实际吞吐量的表达式为：

$Goodput2=\frac{N*\left(D_b-D_{head}\right)}{RTT+T_B+{T_R}^{\′}}=N*\frac{D_b-D_{head}}{RTT+T_B+{T_R}^{\′}}---\left(2\right)$

假设有N个bundle(相同大小且大小为L_bundle)传到LTP层后，被打包到一个block中，block再被分成若干个segments进行传输。LTP层中的segments的默认长度为L_seg，误码率为BER，一个segment(也叫packet)的错误概率为P_E，则：

P_E＝1-(1-BER)^s(S＝8*L_seg)(3)

L_Block＝N*L_bundle+L_head(4)

一个block平均可以分成n_seg个segments传输，则

n_seg＝L_Block/L_seg(5)

反馈包RS的组成部分包括包头信息，还有传输过程中丢失的segments的范围。包头信息是固定的，变动的部分就是丢包的信息在block中排序的区间。包头信息的平均大小为8bytes，表示一个区间所需要的大小大概为16bytes。现在需要确定的就是block中segments丢失的个数N_error，由以下等式得出：

$N_{error}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}i*P\{N=i\}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}i*C_n^i*P\_E^i*{(1-P\_E)}^{n-i}---\left(6\right)$

得到RS的长度：

L_RS＝8+(N_error+1)*16(7)

得到RS的错误概率为：

$P\_E\_RS=1-{(1-BER)}^{8*L_{RS}}---\left(8\right)$

由以上的式子可以得出两个重要的数据：一个block传输成功需要传输的平均次数N_BLOCK，以及一个RS传输成功需要的传输次数N_RS：

$\begin{array}{c}{N}_{BLOCK}=E\left\{N_{BLOCK}\right\}=\underset{J=0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}J*P\left\{N_{BLOCK}=J\right\}\\ =\underset{J=0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}J*(\underset{k=0}{\overset{J-1}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{J-k-1}{\Σ}}{C}_{J-k-1}^j*P\_E\_{\mathrm{RS}}^j{\left(1-P\_E\_RS\right)}^{J-k-j-1}\\ *C_{J-1}^{k}P\_E^k{\left(1-P\_E\right)}^{J-k}\[{\left(1-P\_E^{J-k-j-1}\right)}^{n-1}-{\left(1-P\_E^{J-k-j-1}\right)}^{n-1}\]\end{array}---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}{N}_{RS}=\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}k*P\left\{N=k\right\}\\ =\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}k*\[\left(1-P\_E\_{\mathrm{RS}}^k\right)-\left(1-P\_E\_{\mathrm{RS}}^{k-1}\right)\]\end{array}---\left(10\right)$

本发明提出了bundle聚合的传输优化策略。它的主要思想是：bundle从BP层到LTP层准备传输时，在LTP层中，会将相同目的地的bundle打包到一个block中再进行传输。以上面的例子来进行分析，即是将125个bundle打包到一个block中，也就是说这个block的大小为250Kb左右。而下行链路的传输速率为250Kb/s，即这个聚合后的block只需要1秒钟的时间就可以传输完。附图1是数据在DTN协议栈中的分段和聚合过程。首先源文件到达BP层以后会被分成n个bundle；n个bundle到达LTP层后，由于bundle聚合将m个bundle打包到一个block中，于是每m个bundle只需要一个RS回复，然后block再被分成若干segments进行传输。

在DTN网络中，将一定长度的应用数据单元打包到一个协议数据单元中，称之为bundle，这样是为了减少完成一个协议事务所需要的往返传播次数。这个对链路传播时延比较大的情况，有很大的影响。BP将它的数据bundle传到LTP层，而且将数据单元打包成LTPblock。再将所有的block分段，根据下面的链路服务的最大传输单元的大小来确定LTP数据段的大小，然后将数据段在链路层中打包为帧，并在数据链路层中传输。

数据段到达接收端之后，再将它们重新组合成原来的block。这时接收端必须要回复一个接收到这个block的报告段(RS)。一个RS代表的是一个接收成功ACK(所有的数据都收到)或者一个接收不成功ACK(如果有些数据没有收到则需要重传)。LTP段序列交换产生一个block成功传输叫做一次会话。服务数据能聚合到一个block中的比特数的最大值叫做“一次会话的比特数”或者“NBS”。

LTP默认的操作形式是一个block包含一个bundle。为了适应星际互联网链路的数据速率的高度不对称的情况，本发明提出将多个bundle聚合到一个block中而不是一个block中装一个bundle，从而减少反馈的RS的个数。在深空环境下，为了提高吞吐量的表现和最大化链路的利用率，LTP能够包含多个block会话同时运行数据传输的不同阶段，而且一个发送LTP不需要等待一个会话完成，就可以发送一个新的会话。然而，由于重传的可能性，每个block中的数据必须被保留下来，知道block已经成功被接收到。但是发送端的LTP的存储资源是有限的，一个给定的LTP引擎一次同时处理会话的总数也必须是有限的。这种限制被叫做“一次会话的最大总数(NOS)”。

如果改变NBS和NOS，也同时改变了在任意时刻一次会话的总数据量。一旦正在运行的NOS达到最大的NOS，就算链路的传输容量还有可用的部分也不能在发起一个新的会话，除非一个或多个正在运行的会话结束了或者由于高速的数据丢失而被撤销。所以，在星际链路中，NBS和NOS是一个容延迟非会话流控制服务的基础。

从以上的说明可以知道，bundle的聚合的确能够提高链路的利用率，也能大大提高数据传输的吞吐量。但是在差错信道上，也就是在误码率较高的情况下，bundle聚合不仅不能带来数据传输吞吐量的提升，反而会使吞吐量下降。于是本发明提出了对RS的结构进行修改，使得RS不会随着bundle聚合的个数的增加而影响数据的传输的吞吐量。

RS主要由报告序列号、检查点序列号、上限边界、下限边界、接收声明数量和接收声明(位移和长度)。而这些组成部分除了接收声明以外，其他的都是固定的。接收声明主要包括两个部分，位移和长度。其中，位移是指从下线边界开始成功接收的起点位置。长度是指从位移的起始位置开始，连续成功接收的字节数。也就是说，RS中反馈的是成功接收的部分，而没有反馈的部分就是需要重传的部分。

由接收声明的组成可以知道，每个没有接收成功的segment都需要一个字节来表示。在高误码率的条件下，segments错误的概率也大大提升，也就是RS接收声明的个数也会增多。一个segments的范围需要4个字节来表示。在文件比较大，误码率比较高，传输信道速率比比较小的情况下。RS的大小可能是非常大的。

一个接收声明需要4个字节来表示，即需要32位来表示。如果用二进制来表示一个segments的话，那么4个字节可以表示成32个segments。这样既可以大大减小RS中接收声明的大小。LTP层中segments是按序列排列的。若有n个segments我们就用n位来表示它们，初始值为0，传输结束后，接收成功的segments的相应位变为1，其他位的数值不变。即接收声明中为1的位，是成功接收的segments的编号，为0的位，是需要重传的segments的编号。

由附图2可以看出，当前的RS中除了包头部分，主要反馈的是一段一段传输正确的数据的范围。而改进之后的RS的包头和当前RS的包头设置是一样的。但是对于LTP层中segments的传输反馈的设置是，对于与segments的编号传输成功的反馈为1，传输失败的反馈为0。这样做可以大大减小RS的大小，可以避免RS由于大小的增加而出错，导致bundle传输的deliverytime增大，也就是时延变大。以附图3为例。包头后面的0和1分别表示，第一个0表示此block的第一个segment传输失败，第二个segment传输成功，第三个segment传输失败，第k个segment传输成功。这样既直观，又准确，而且大大减小了RS的大小。

当前的RS由RS包头和范围组成，包头的大小为L_{head_RS}，每个范围由8个字节表示，即64位，RS大小的表达式为(RS的大小的单位为bytes)：

L_RS1＝L_{head_RS}+(N_error+1)*8(11)

本发明提出的RS结构由RS包头和对应segments传输是否成功，用一位就可以表示出来，也就是说一个字节可以表示8个segments，那么它的表达式为：

L_RS2＝L_{head_RS}+N_seg/8(12)

如附图4所示，本发明的面向空间差错信道的DTN网络数据聚合传输方法的具体步骤如下：

步骤1：数据从应用程序传输到bundleprotocol(BP)层；

步骤2：数据在BP层被均分成n段，再将每f段数据装入BP层的数据包bundle中，数据被打包到bundle中后，传输到LTP层；

步骤3：将每m个bundle打包到一个LTP层数据包block中进行传输，传输的过程中block被分成k个segment进行传输；

步骤4：接收一个block必须反馈一个RS到发送节点；对RS的结构进行修改，使得RS即使在高误码率的情况下，它的变化也不足以影响数据传输的吞吐量。

采用本发明提出的对RS的改进，可以保证在理想状态、低误码率和高误码率情况下，bundle聚合传输一定能提高传输的吞吐量。可以使得bundle传输的deliverytime更短，也就是使得bundle传输的时延减小。

本发明可以指导DTN网络中数据传输性能改进工作，根据本发明进行合理地对不同上下行传输速率比和高误码率情况下，有针对性的对传输的数据bundle进行聚合个数设置，有利于减少传输数据的等待时间、提高数据传输的吞吐量，提高DTN网络中数据传输的性能。然后对RS的结构进行修改，使得bundle聚合的传输方法在高误码率的情况下也提高数据传输的吞吐量。

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 (4)

1.一种面向空间差错信道的DTN网络数据聚合传输方法，其特征在于：所述方法包括：

步骤1：数据从应用程序传输到bundleprotocol(BP)层；

步骤2：数据在BP层被均分成n段，再将每f段数据装入BP层的数据包bundle中，数据被打包到bundle中后，传输到LTP层；

步骤3：将每m个bundle打包到一个LTP层数据包block中进行传输，传输的过程中block被分成k个segments进行传输；

步骤4：接收一个block必须反馈一个RS到发送节点；对RS的结构进行修改，使得RS即使在高误码率的情况下，它的变化也不足以影响数据传输的吞吐量。

2.根据权利要求1所述的数据聚合传输方法，其特征在于：所述对RS的结构进行修改具体为：将RS的接收声明修改为k个比特的字段，所述k个比特对应顺序传输的k个segments是否接收成功的指示。

3.根据权利要求2所述的数据聚合传输方法，其特征在于：1代表接收成功，0代表需要重传；初始化时，接收声明的所有位都置为0。

4.根据权利要求1所述的数据聚合传输方法，其特征在于：所述m根据不同上下行传输速率比和高误码率情况进行设置。