CN105450653A - 减少空间信息网络中tcp报文丢失的方法 - Google Patents

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徐会忠
杨海峰
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    • H04L69/32—Architecture of open systems interconnection [OSI] 7-layer type protocol stacks, e.g. the interfaces between the data link level and the physical level
    • H04L69/322—Intralayer communication protocols among peer entities or protocol data unit [PDU] definitions
    • H04L69/326—Intralayer communication protocols among peer entities or protocol data unit [PDU] definitions in the transport layer [OSI layer 4]

Abstract

本发明提出了一种减少空间信息网络中TCP报文丢失的方法，旨在提供一种能够有效减少数据包丢失，提高链路吞吐量，并能避免链路断开时发送端无谓重传的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在TCP协议的发送端增加发送存储模块；在节点运动规律可循的空间信息网络中，根据已知的人造卫星的运动轨迹和可预测天体遮挡造成的链路中断特性，预设置任意节点A和节点B间连通时序PAB(t)，其中PAB(t)＝1为时刻t节点A和节点B处于链路连通的状态，而PAB(t)＝0为时刻t节点A和节点B处于链路断开的状态；在网络运行过程中，对任意时刻t0，发送节点A首先验证PAB(t0)的值，若PAB(t0)＝1，则向目的节点B发送数据包；若PAB(t0)＝0，则将数据包缓存在TCP的存储模块中，而被缓存的数据包将在下一个使PAB(t)＝1的时刻t＝t1，从缓存中提取并恢复发送。

Description

减少空间信息网络中TCP报文丢失的方法
技术领域
本发明涉及一种空间信息网络通信协议技术领域中提高传输控制协议TCP性能的方法，具体涉及一种在传输层的TCP协议中增加发送存储模块以减少TCP报文丢失的方法。
背景技术
随着电子和无线通信技术的突飞猛进，网络深入到了人类社会生产生活的方方面面，网络技术由固定有线传输向移动无线传输转变，由传统地面网络结构向空天地一体化网络结构拓展，由静态节点向高速动态节点发展。特别是近几年世界各国对空间资源的关注和开发，航空航天技术的快速发展，为空间信息网络体系的建立和发展提供了很好的物质和技术支持，空间信息网络系统必将成为未来网络世界的重要组成部分。但是，空间信息网络面临着网络拓扑变化频率高、节点运动速度快、节点间传播时延长、空间链路误码率高、空间节点资源受限等挑战，严重影响了空间信息网络数据传输的可靠性，成为制约空间信息网络开发和运用的一个重要技术障碍。
目前地面上绝大多数网络都采用TCP/IP协议族。TCP(TransmissionControlProtocol，传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能。在因特网协议族(Internetprotocolsuite)中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。应用层向TCP层发送用于网络间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段。之后TCP把报文传给IP层，由它来通过网络将报文传送给接收端的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端的包的按序接收。然后接收端对已成功收到的包发回一个相应的确认；如果发送端在合理的往返时延内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失并进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。在标准TCP/IP协议中，只有当端到端链路存在时，才可建立端到端的路由发送数据。当没有端到端链路时，将无法发送数据，要发送的数据包都会被丢弃。虽然目前地面网络大都采用TCP/IP协议族，但空间信息网络却往往无法直接使用TCP协议。这是因为空间信息网络和地面网络之间存在着很多不同，主要表现为：
1)长时延：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，而实验证明，当时延大于20ms时，TCP性能开始严重恶化。
2)高误码率：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：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。
4)链路断续连通且规律可循：人造卫星根据其轨道运动，可能被地球或其它天体遮挡，造成通信链路的中断；但另一方面，由于各种天体以及人造卫星的运动具有周期性和规律性，因而由于天体遮挡造成的链路中断是可以预测的。
由于存在这些差别，地面网络所使用的TCP/IP协议族并不能直接运行在空间信息网络上，必须根据空间信息网络的特点制定新的网络协议或进行修改。
网络节点(简称节点)是指一台电脑或其他设备与一个有独立地址和具有传送或接收数据功能的网络相连。节点可以是工作站、客户、网络用户或个人计算机，还可以是服务器、打印机和其他网络连接的设备。每一个工作站﹑服务器、终端设备、网络设备，即拥有自己唯一网络地址的设备都是网络节点。整个网络就是由这许许多多的网络节点组成的，把许多的网络节点用通信线路连接起来，形成一定的几何关系，这就是计算机网络拓扑。在空间信息网络中，同步卫星、中低轨道卫星、平流层气球、有人或无人驾驶飞机、地面站等都属于网络节点。
发明内容
本发明针对标准TCP/IP协议在高误码、长时延、链路断续连接的空间环境中链路资源利用率低下、报文传输不可靠、反馈链路传输量增大等问题，根据空间信息网络的特点，提供一种能够提高TCP协议吞吐量，有效减少TCP数据报文丢失、减少无谓重传的方法，以改进标准TCP协议无法适应空间环境的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种减少空间信息网络中TCP报文丢失的方法，其特征在于包括如下步骤：在TCP协议发送端增加发送存储模块；在节点运动规律可循的空间信息网络中预设置节点连通时序，定义任意发送节点A和任意目的节点B的连通时序为时间t的函数PAB(t)，定义PAB(t)＝1表示时刻t发送节点A和目的节点B处于链路连通的状态，定义PAB(t)＝0表示时刻t发送节点A和目的节点B处于链路断开的状态；在网络运行过程中，如果在任意时刻t＝t0，发送节点A有到目的节点B的TCP报文需要发送，发送节点A首先验证PAB(t0)的值，如果PAB(t0)＝1，则向目的节点B发送数据包；如果PAB(t0)＝0，则将数据包缓存在TCP的存储模块中，而被缓存的数据包将在下一个使PAB(t)＝1的时刻t＝t1，从缓存中提取并恢复发送。
本发明有益效果在于：
1、本发明在节点运动规律可循的空间信息网络中预设置了节点间的连通时序，定义发送节点A和目的节点B的连通时序为时间t的函数PAB(t)，其中PAB(t)＝1为时刻t发送节点A和目的节点B处于链路连通的状态，而PAB(t)＝0为时刻t发送节点A和目的节点B处于链路断开的状态；这样能够有效减少在端到端链路不存在的情况下，传输控制协议TCP无谓的建立连接而产生的不必要开销；进一步提高了TCP协议吞吐量，有效减少TCP数据报文丢失。
2、本发明在TCP协议发送端增加了存储模块，并通过判断时刻t是否有端到端连通路径，有则发送数据包，没有则将数据包缓存在TCP存储模块中；而被缓存的数据包，则可以在网络节点连通时序由断开状态变化为连通状态时，恢复TCP发送；这样可以很大程度缓解标准TCP协议中由于没有存储空间，一旦当前时刻链路处于断开状态，就会发生数据包丢失的问题，可以有效较少数据包的丢失，进而减少TCP重传的概率，降低反馈链路的带宽压力，从而提高TCP协议的空间环境适应性。
附图说明
图1为本发明减少空间信息网络中TCP报文丢失的流程示意图。
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，根据本发明，在TCP协议发送端增加发送存储模块；并在节点运动规律可循的空间信息网络中预设置节点间的连通时序。由于空间网络中各种天体以及人造卫星的运动轨迹是可知的，天体遮挡造成的链路中断是可预测的，所以可以在节点运动规律可循的空间信息网络中预设置节点间的连通时序，定义任意节点A和任意节点B的连通时序为时间t的函数PAB(t)，定义PAB(t)＝1表示时刻t节点A和节点B处于链路连通的状态，定义PAB(t)＝0表示时刻t节点A和节点B处于链路断开的状态。定义发送节点A和目的节点B的连通时序为时间t的函数PAB(t)，其中，PAB(t)＝1表示时刻t发送节点A和目的节点B之间的链路处于连通状态，而PAB(t)＝0表示时刻t发送节点A和目的节点B之间的链路处于断开的状态；定义缓存超时时间T，表示TCP数据报文可以在所述TCP存储模块中可以缓存的最长时间。定义任意发送节点A和任意节目的点B的连通时序为时间t的函数PAB(t)，定义PAB(t)＝1表示时刻t发送节点A和目的节点B处于链路连通的状态，定义PAB(t)＝0表示时刻t发送节点A和目的节点B处于链路断开的状态；根据各种天体以及人造卫星的运动轨迹的可预测特性，由于天体遮挡造成的链路中断也是可预知的，即PAB(t)为一已知函数。在网络运行过程中，依据已知的PAB(t)，在任意时刻t0，若发送节点A有TCP报文需要发送，发送节点A首先验证PAB(t0)的值，如果PAB(t0)＝1，则向目的节点B发送数据包；如果PAB(t0)＝0，则将数据包缓存在通信模块TCP的存储模块中，被缓存的数据包将在下一个使PAB(t)＝1的时刻t＝t1，从缓存中提取并恢复TCP数据发送。
具体包括以下步骤。
在时刻t＝t0，发送节点A处产生了需要发送到目的节点B的数据包；发送节点A首先查询当前时刻t0连通时序函数PAB(t0)的值，用于判断目的节点B是否可达，如果PAB(t0)＝1，则获取目的节点B的地址，并向目的节点B传输所述数据包，结束流程；
如果PAB(t0)＝0，则发送节点A将所述数据包缓存入所述TCP存储模块中，并查询使所述连通时序函数PAB(t)＝1的下一个时刻t＝t1，如果t1-t0＞T，则发送节点A丢弃所述数据包，发送失败，结束流程；
如果t1-t0＜T，则节点A在时刻t1从所述TCP存储模块中提取所述数据包，重新进行传输，结束流程。
需要说明的是，缓存超时时间T通常取值为几分钟至1小时。
需要说明的是，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 (5)

1.一种减少空间信息网络中TCP报文丢失的方法，其特征在于包括如下步骤：在TCP协议发送端增加发送存储模块；在节点运动规律可循的空间信息网络中预设置节点连通时序，定义任意发送节点A和任意目的节点B的连通时序为时间t的函数PAB(t)，定义PAB(t)＝1表示时刻t发送节点A和目的节点B处于链路连通的状态，定义PAB(t)＝0表示时刻t发送节点A和目的节点B处于链路断开的状态；在网络运行过程中，如果在任意时刻t＝t0，发送节点A有到目的节点B的TCP报文需要发送，发送节点A首先验证PAB(t0)的值，如果PAB(t0)＝1，则向目的节点B发送数据包；如果PAB(t0)＝0，则将数据包缓存在TCP的存储模块中，而被缓存的数据包将在下一个使PAB(t)＝1的时刻t＝t1，从缓存中提取并恢复发送。
2.如权利要求1所述的减少空间信息网络中TCP报文丢失的方法，其特征在于：在时刻t＝t0，发送节点A处产生了需要发送到目的节点B的数据包；发送节点A首先查询当前时刻t0连通时序函数PAB(t0)的值，用于判断目的节点B是否可达，如果PAB(t0)＝1，则获取目的节点B的地址，并向目的节点B传输所述数据包，结束流程。
3.如权利要求2所述的减少空间信息网络中TCP报文丢失的方法，其特征在于：如果PAB(t0)＝0，则发送节点A将所述数据包缓存入所述TCP存储模块中，并查询使所述连通时序函数PAB(t)＝1的下一个时刻t＝t1，如果t1-t0＞缓存超时时间T，则发送节点A丢弃所述数据包，发送失败，结束流程。
4.如权利要求3所述的减少空间信息网络中TCP报文丢失的方法，其特征在于：如果t1-t0＜T，则节点A在时刻t1从所述TCP存储模块中提取所述数据包，重新进行传输，结束流程。
5.如权利要求1所述的减少空间信息网络中TCP报文丢失的方法，其特征在于：缓存超时时间T取值为几分钟至1小时。
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