CN105119842A - 在中断容忍网络中设置rtt参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，旨在提供一种能够有效减少发送端重传分组个数，提高发送端吞吐量，并能避免路径断开发送端重传定时器超时现象，基于中断容忍网络的RTT设置方法，本发明通过下述技术方案予以实现：在传输层协议中，首先将网络端到端路径连通时间段设为发送端到全网所有其它节点的端到端的连通时序；在发送端为待发送的数据分组设置传输层协议中的往返程时间RTT；在已知网络的端到端路径连通时间段，设置RTT的时间t，定义RTTold上一次连通时段发送分组的RTT值，定义RTTmea为本次测量的RTT值，定义RTTnow为本次使用的RTT值，定义时刻t到下一次路径连通的时间tp(t)；发送端判断时刻t端到端连通路径，最后根据tp(t)值设置RTT，并结束。

Description

在中断容忍网络中设置RTT参数的方法

技术领域

本发明涉及卫星测控网络通信协议技术领域，具体涉及一种在传输层协议中设置往返程时间RTT的方法，可用于测控网络中对往返程时间RTT参数的设置。

背景技术

由航天控制中心、航天测控站、陆上活动测控站、测量船以及连接它们的测控通信网构成的跟踪测量和控制航天器的系统是卫星测控网的主要测控装备。测控装备主要包括微波雷达、超短波多普勒测速仪和光学设备，以及双频多普勒测速仪、超高频指令遥控系统和微波统一系统等。卫星测控网的主要任务是使用测控网络对在空间中运行的航天器进行及时准确的实时跟踪测量和控制，掌握航天器运行状态并对其发出指令控制其工作。

随着因特网和移动通信的迅速发展用户链路UL和星间链路IS特性和这些UL与ISL的切换及拓扑的动态变化，对系统的路由交换策略以及传输层协议和上层应用的性能产生很大影响。另外，由于卫星网络拓扑的复杂性和时变特性，对通信协议的性能进行理论分析非常困难。卫星间、卫星与地面间以及地面各系统间信息的交叉传输不断增多。虽然目前地面网络大部分都采用TCP/IP协议族，但各卫星网络却往往采用各自独立的协议。卫星网络与地面网络相比，存在很多不同。在网络拓扑方面，对卫星网络的中、低轨道来说，表现为整个网络是时变的，但卫星节点之间的互连关系保持不变。地面网络的网络拓扑基本是不变的。两个网络的信道特征也不同，主要表现为：1)长时延[13-17]：卫星信道的时延较长，多数情况下低轨系统单向传播时延是20～25ms，中轨系统是100～130ms，静止轨道系统为250～280ms，系统时延还受星间路由选择、星上处理以及排队时延等因素的影响。2)高误比特率[18-22]：在没有差错控制编码的情况下，卫星链路的误比特率大约是10-4～10-6数量级，而地面光纤的误比特率是10-10数量级。高的误比特率将导致重传次数增加。3)上下行链路不对称[23,24]：即一个传输方向上有较高的数据传输率，而另一个方向上的链路由于受到天线尺寸和发射功率的限制而导致数据传输速率较低。通常卫星链路都是上行功率受限，将导致吞吐量减少。由于存在这些差别，地面网络所使用的网络协议(TCP/IP协议族)并不能直接运行在卫星网络上，必须根据卫星网络的特点制定新的网络协议。在卫星网络中，一个网络层地址对应多个物理地址，链路层在封装网络层分组时，需要知道该网络层目的地址对应的是哪一个物理地址，而且还要知道从哪一个物理地址发出去，也就是要知道<源物理地址，目的物理地址>这样一个地址对。显然，这个地址对对应于一条星间链路。网络层定义了通过网络传送的基本数据单元，还包括目的站寻址和转发的概念。在卫星网的地面关口站中，网络层处于IP层之下。由于卫星节点之间的某些星间链路并不是固定不变的，这样的地址对并不是一个先验知识。这样的一个地址对如果由卫星节点之间通过互相询问来得到，无疑需要消耗不少网络资源。到目前为止,我们接触到的网络，无论是有线网络还是无线网络都基于以下假设:在通信持续的时间里数据源和目的之间存在端到端路径；节点之间的最大往返时间不会太长,丢包率较小.然而,实际中还存在一类不满足以上假设的网络,如延迟很长的深空网络、周期性连接的卫星网络、经常中断的稀疏移动自组网等,已有的网络架构及协议均不适用于这类网络.这一类网络称为挑战性网络(challengednetworks)。正在出现的挑战性网络违背了以上一条或几条假设,使得当前的端到端TCP/IP模型不能很好地服务于这类网络.这类网络的例子有:陆地移动网络.有些陆地移动网络由于节点移动或信号强度变化(如干扰、障碍物遮挡等)可能发生不可预期的分割,另一些可能发生周期性的、可预期的分割.例如,一辆通勤车可以作为一个具有有限范围通信能力的存储转发消息交换机,当它从一个地方移动到另一个地方时,它可以向通信范围内的客户提供与所途经的实体的消息交换服务。异种媒体网络，异种通信媒体包括近地卫星通信、非常长距离的无线电或光纤链路(如光传播延迟在秒级或分钟组的深空通信)、空中或水中的声波链路和一些自由空间的光通信.这些系统可能遭遇由可预期中断引起的长延迟(如行星间运动或预定飞船的经过),由环境条件，如天气引起的断电,或者提供一种可预期的间断性存储转发服务，如低轨道卫星每天周期性地通过头顶。军用自组织网络，这类系统可能工作于不利的环境,节点移动、环境因素或故意干扰都可以引起断连。另外,网络中的数据流量可能要和较高优先级的业务竞争带宽，比如,当高优先级的声音数据正在传输时,其它数据可能必须意外地等待几秒钟甚至更长时间。这些系统也可能有特别强烈的保护通信设施的要求。传感器/激励器网络.这类网络的显著特点是节点的电量、内存和CPU能力极其有限,而且节点规模可能非常大(数千或数百万节点),网内的通信通常按计划调度以保存能量,典型地使用"代理"节点将IP协议转换成传感器网络的本地协议。由于已经有了大量的经验以及与TCP/IP协议兼容的大量系统,将高度成功的因特网结构概念应用到这些新的、不同寻常的网络中是很自然的想法.但是,极大的链路延迟、不存在端到端路径、节点缺乏连续的电源供应或大内存给这类方法在操作上和性能上带来了很大的挑战.在有些情况下,当要求带宽效率时,极大的带宽-延迟乘积也会带来困难。

2004年初,DARPA提出了中断容忍网络(disruption-tolerantnetworking),也简称为DTN,D在DTN中表示"中断"还是"延迟"现在还不十分明确,但是在很多时候希望同一个体系结构或者协议能够同时支持这两种情况。DTN网络具有与传统网络非常不同的特点:

(1)长延时，比如,地球与火星距离最近时光传播需要4分钟,距离最远时光传播超过20分钟,而在Internet中传播时间一般按毫秒计算。如此长的延时,很多应用尤其是基于TCP/IP的应用是无法实现的。

(2)节点资源有限，DTN网络常常分布于深空、水下、战场等环境中,节点受体积和重量的限制,电源及其它资源非常有限,这一点与移动自组网类似。

(3)间歇性连接.造成DTN网络间歇性连接的原因有很多,如当前没有连接两个节点的端到端路径,节点运动超出通信范围,节点为节能暂时关闭电源等。网络中断可以有一定规律,如卫星网络；也可以是随机的,如稀疏移动自组网。

(4)不对称数据速率。在DTN网络中,数据传输的双向速率经常是不对称的。在完成空间任务时,双向数据速率比可以达到1000:1甚至更高。

(5)低信噪比和高误码率。DTN网络中,环境导致的低信噪比引起信道中的高误码率.一般的光通信系统中误码率只有10-15～10-12,而在深空通信中,误码率甚至可以达到10-1,极大地影响接收端对传输信号的解码和恢复.众多文献中提到DTN网络时,往往通过以上几点对DTN网络和现有的TCP/IP网络进行比较,通过分析认为现有的TCP/IP协议难以支持DTN网络中的上层应用,需要开发新型的网络协议。

DTN网络近年来在学术领域得到了越来越多的重视，究其原因，是因为它有着与传统因特网不同的一些特点，这些特点违背了因特网相关协议的一些基本假设，从而使人们不得不重新设计适用于DTN网络上的网络协议。这些特点包括：

1，网络延时大。比如外太空网络中，消息的传播时间通常在分钟数量级以上。

2，连接不稳定。由于节点的移动性、失效、遭受攻击、休眠调度或自身能量考虑，节点之间的连接通常是间断性的。

3，非对称的链路传输速率。

4，数据传输的高误码率和差错率。由于节点的移动性和连接不稳定性，分组的丢包概率较传统因特网也大大增加。

中断容忍网络网络(DTN)，又称容迟网络，是指一类特殊的网络，在该网络中，端到端的路径通常很难建立，网络中的消息传播具有很大的延时，使得传统因特网上基于TCP/IP的协议很难适用于该网络。随着微型计算技术和电子技术的日趋成熟，容迟网络应用也得到了人们越来越多的关注。目前容迟网络的应用大体上还处在试验阶段，包括陆地移动网络，移动车载网络，外太空网络，野生动物跟踪网络，战地网络等。DTN是一种与传统有线网络不同的网络，具有如下特征：

(1)间断性连通：DTN网络中，节点的运动性和工作时间的低占空比导致端到端的路径可能较长的时间处于不连通状态。网络的间断性连通一类为可预测，如星际网络的节点依轨道运动，具有周期性，其运动状态可查阅星历表获得，并根据设备的通信范围即可得到链路的连通状态。布置在某些特殊环境中的节点由于功率有限，只在很短的时间内开启工作，工作时间预先设定，其链路的通断状态可预测；另一类是由于节点的随机运动，距离超出了通信范围，或物体的遮挡造成的链路断开，此类间断性连通为不可预测。

(2)长且可变时延：网络中的时延通常包括四个部分：传输时延、传播时延、处理时延和排队时延。端到端的时延为路径上各跳链路的时延总和。传输时延与传播时延受网络传输介质的影响，如水下传感器网络节点的速率仅有10kbps。时延非常大可能达到1秒或几秒，在星际网络中链路的传播时延可能达到分钟级。此外，由于节点的运动造成节点间通信距离的不断变化，从而导致时延的变化。DTN体系结构放松了TCP/IP的一些假设条件，使其能够容忍长延迟及连接中断，并能够互联异构网络。DTN在传输层之上叠加了Bundle层来形成覆盖网的体系结构。Bundle目前的通用中文翻译称作“束”，有时也称作消息，是DTN网络中的基本数据传输单元。Bundle可以为任意大小，由于连接机会的宝贵，Bundle通常对来自应用层的数据进行汇聚，并在网络节点之间进行存储转发传输(Store-and-Forward)。

往返程时间(RTT，RoundTripTime)是传输层协议中决定重传超时时间RTO(RetransmissionTimeOut)的重要因素。由于网络拓扑的变动，流量的变化，往返程时间会相应地发生改变，传输层协议需要跟踪这些变化并动态调整超时时间RTO。往返程时间RTT由三部分组成：链路的传播时间(propagationdelay)、末端系统的处理时间、路由器缓存中的排队和处理时间(queuingdelay)。

在TCP/IP协议中通过TCP报文中时间戳选项可以用来精确的测量链路网络时延RTT，RTT＝当前时间-数据包中Timestamp选项的回显时间，这个回显时间是该数据包发出去的时间，知道了数据包的接收时间(当前时间)和发送时间(回显时间)，就可以得到RTT的一个测量值。这种测量RTT的方法的假设是端到端路径一直存在，不会有不存在端到端路径的情况，所有数据包都可以得到Timestamp选项的回显时间，中断容忍网络不总是存在端到端连通路径，故该假设与中断容忍网络的断续连通特性不相符。在中断容忍网络端到端连通由通到断的情况下，所计算出的RTT是无穷大的，从而超时重传时间RTO设置也近似无穷大，发送端将一直处于数据超时重传状态，即使一下次链路连通，也不会传输数据，严重影响网络的吞吐量。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明旨在提供一种能够有效减少发送端重传分组个数，提高发送端吞吐量，并能避免路径断开发送端重传定时器超时现象，基于中断容忍网络的RTT设置方法，以改进现有RTT设置方法不能适应链路断续连通的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于包括如下步骤：在传输层协议中，首先将网络端到端路径连通时间段设为发送端到全网所有其它节点的端到端的连通时序，为求得RTT参数的平滑预测值，用1表示连通0表示断开定义α为RTT参数的平滑因子；在网络运行过程中，在具有业务发送请求的网络设备的发送端为待发送的数据分组设置传输层协议中的往返程时间RTT；在已知网络的端到端路径连通时间段，设置RTT的时间t，定义RTTold上一次连通时段发送的RTT分组值，定义RTTmea为本次测量的RTT值，定义RTTnow为本次使用的RTT值，定义时刻t到下一次路径连通的时间tp(t)；由有业务发送请求的网络设备的发送端判断时刻t是否有端到端连通路径，有，则由有业务发送请求的网络设备发送端测出当前测量值RTTmea，并根据当前测量值RTTmea与分组值RTTold计算本次使用值RTTnow,结束RTT设置，否则通过网络的端到端路径连通时间段获取tp(t)，根据tp(t)值设置RTT，并结束。

本发明有益效果在于：

1、本发明采用在具有业务发送请求的网络设备的发送端为待发送的数据分组设置传输层协议中的往返程时间RTT；在已知网络的端到端路径连通时间段，设置RTT的时间t，定义RTTold上一次连通时段发送分组的RTT值，定义RTTmea为本次测量的RTT值，定义RTTnow为本次使用的RTT值，定义tp(t)为时刻t到下一次路径连通的时间；限定了在设置RTT时需要判断当前是否存在端到端的路径，这样可以区分在不同的路径连通状态下使用不同的RTT设置方法；

2、本发明通过判断时刻t是否有端到端连通路径，有则由具有业务发送请求的网络设备测得当前RTTmea，根据测量值RTTmea与RTTold计算RTTnow,结束设置RTT。否则通过网络的端到端路径连通时间段获取tp(t)，根据tp(t)值设置RTT，并结束采用的技术措施，限定了在路径断开的时刻设置RTT时需要加上等待路径连通的时间，这样的处理方式避免了由于路径断开而使得发送端重传定时器超时的现象，有效的减少发送端不必要的重传分组的个数，提高了发送端的吞吐量。

本发明提供在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，利用中断容忍网络的发送端到全网所有其它节点的端到端的连通时序，可以得到任意时间t到下一次路径连通的时间tp(t),从而可以得到精确的链路往返时延，有效计算超时重传时间RTO，从而有效的利用链路带宽资源，提高链路吞吐量。避免在端到端链路不存在的情况下，通过尝试发送数据分组依据回显时间计算得到一个无穷大RTT而错误计算RTO。从而有效的利用链路带宽资源，提高链路吞吐量。

附图说明

图1为本发明在中断容忍网络中设置RTT参数的流程示意图。

图2为图1中路径连通时间段实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，在中断容忍网络中设置RTT参数是基于断续连通测控网络的RTT设置方法，具有业务发送请求的网络设备作为发送端向能够接收业务的接收端发送数据分组。在传输层协议中，首先将网络端到端路径连通时间段设为发送端到全网所有其它节点的端到端的连通时序，为求得RTT参数的平滑预测值，用1表示连通，0表示断开定义α为RTT参数的平滑因子；在网络运行过程中，在具有业务发送请求的网络设备的发送端为待发送的数据分组设置传输层协议中的往返程时间RTT；在已知网络的端到端路径连通时间段，设置RTT的时间t，定义RTTold上一次连通时段发送的RTT分组值，定义RTTmea为本次测量的RTT值，定义RTTnow为本次使用的RTT值，定义时刻t到下一次路径连通的时间tp(t)；由有业务发送请求的网络设备的发送端判断时刻t是否有端到端连通路径，有，则由有业务发送请求的网络设备发送端测出当前测量值RTTmea，并根据当前测量值RTTmea与分组值RTTold计算本次使用值RTTnow,结束RTT设置，否则通过网络的端到端路径连通时间段获取tp(t)，根据tp(t)值设置RTT，并结束。

具体包括以下步骤：

(1)在中断容忍网络运行过程中，所述具有业务发送请求的网络设备发送端为待发送的数据分组设置RTT；

(2)已知网络的端到端路径连通时间段，在网络运行之前定义经验值t为设置往返程时间RTT的时间，RTT的测量：TCP时间戳选项(TCPTimestamp)可以用来精确的测量RTT。RTT＝当前时间－ACK包中Timestamp选项的回显时间,这个回显时间是该数据包发出去的时间。

定义RTTold上一次连通时段发送的RTT分组值，定义RTTmea为本次测量的RTT当前测量值测量值，定义RTTnow为本次使用的RTT本次使用值，定义tp(t)为时刻t到下一次路径连通的时间，定义α为平滑因子，其中，设置方式如下：

(2a)如果t时刻有连通路径，则转至(2b)，否则转至(2d)；

(2b)测得当前测量值RTTmea，转至(2c)；

(2c)根据测量值设置RTT，转至(2f)；

(2d)通过路径连通时间段获取tp(t)，转至(2e)；

(2e)根据tp(t)值设置RTT,转至(2f)；

(2f)结束。

需要说明的是，所述网络的端到端路径连通时间段为发送端到全网所有其它节点的端到端的连通时序，连通则用1表示，断开则用0表示。

需要说明的是，所述平滑因子α为常量，通常取值为0.9。

需要说明的是，所述上一次连通时段发送分组的RTT值RTTold即为上一个在连通时段发出的分组的RTTnow值，如果不存在上一个在连通时段发出的分组，那么RTTold＝0。

需要进一步说明的是，所述根据测量值设置RTT的计算方法为：

${\mathrm{RTT}}_{now}=\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;RTT}}_{old}+(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{RTT}}_{mea},& {\mathrm{RTT}}_{old}\&NotEqual;0\\ {\mathrm{RTT}}_{mea},& {\mathrm{RTT}}_{old}=0\end{array};$

需要进一步说明的是，所述根据tp(t)值设置RTT的计算方法为：

RTTnow＝RTTold+tp(t)。

为了更好的理解本发明，下面将结合具体实施例作进一步的描述。

实施例

在网络运行过程中，发送端为待发送的分组设置RTT，需要说明的是，本实施例中，发送端A将要发送分组至待接收业务的网络设备接收端B，已知AB路径的连通时序图如图2所示，其中AB路径的连通时序分别为t1＝10，t2＝20，t3＝30，这两个时刻有分组需要发送，且假设在t1＝10时所测得的RTTmea＝500ms,t3＝30时所测得的RTTmea＝300ms。

对于t1＝10的分组，不存在上一个连通时刻发出的分组，所以RTTold＝0。因此RTTnow＝RTTnow＝500ms。

对于t₂＝20的分组，上一个连通时刻发出的分组，也就是t₁＝10的分组的RTTnow＝500ms。通过路径连通时序图可知t_p(t₂)＝420s。因此RTT_now＝RTT_old+t_p(t₂)＝420.5s。

对于t₃＝30的分组，上一个连通时刻发出的分组(也就是t₁＝10的分组)的RTTnow＝500ms。

由于当前时刻路径连通，所以RTT_now＝0.9RTT_old+(1-0.9)RTT_mea＝480ms。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于包括如下步骤：在传输层协议中，首先将网络端到端路径连通时间段设为发送端到全网所有其它节点的端到端的连通时序，为求得RTT参数的平滑预测值，用1表示连通，0表示断开定义α为RTT参数的平滑因子；在网络运行过程中，在具有业务发送请求的网络设备的发送端为待发送的数据分组设置传输层协议中的往返程时间RTT；在已知网络的端到端路径连通时间段，设置RTT的时间t，定义RTTold上一次连通时段发送的RTT分组值，定义RTTmea为本次测量的RTT值，定义RTTnow为本次使用的RTT值，定义时刻t到下一次路径连通的时间tp(t)；由有业务发送请求的网络设备的发送端判断时刻t是否有端到端连通路径，有，则由有业务发送请求的网络设备发送端测出当前测量值RTTmea，并根据当前测量值RTTmea与分组值RTTold计算本次使用值RTTnow,结束RTT设置，否则通过网络的端到端路径连通时间段获取tp(t)，根据tp(t)值设置RTT，并结束。

2.根据权利要求1所述的在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于，所述平滑因子α为常量，取值为0.9。

3.根据权利要求1所述的在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于，所述上一次连通时段发送的分组值RTTold，即为上一个在连通时段发出的分组的RTTnow值，如果不存在上一个在连通时段发出的分组，那么RTTold＝0。

4.根据权利要求1所述的在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于，根据测量值设置RTT的计算方法为：

${\mathrm{RTT}}_{now}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;RTT}}_{old}+(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{RTT}}_{mea},& {\mathrm{RTT}}_{old}\&NotEqual;0\\ {\mathrm{RTT}}_{mea},& {\mathrm{RTT}}_{old}=0\end{array}\right..$

5.根据权利要求1所述的在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于，根据t_p(t)值设置RTT的计算方法为：

RTT_now＝RTT_old+t_p(t)。

6.根据权利要求1所述的RTT设置方在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于，根据tp(t)值设置RTT的计算方法为：RTTnow＝RTTold+tp(t)。

7.根据权利要求1所述的在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于，RTT＝当前时间－ACK包中Timestamp选项的回显时间,这个回显时间是该数据包发出去的时间。

8.根据权利要求1所述的在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于，如果t时刻有连通路径，则测得当前测量值RTTmea，否则根据测量值设置RTT，结束。

9.根据权利要求1所述的在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于，通过路径连通时间段获取tp(t)，根据tp(t)值设置RTT,结束。

10.根据权利要求1所述的在中断容忍网络中设置RTT参数的方法，其特征在于，利用中断容忍网络的发送端到全网所有其它节点的端到端的连通时序，得到任意时间t到下一次路径连通的时间tp(t)和链路往返时延，计算超时重传时间RTO。