CN107787014B - 基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空间网络数据通信技术领域，具体涉及一种基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法。由于卫星网络具有带宽不对称的特点，地对空反向链路容易发生拥塞。针对以上问题，本发明提出一种基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法，当反向链路发生拥塞时，通过减小发送端的发送窗口来降低拥塞，同时，也降低了网络正向空对地链路的吞吐率。本发明能够根据通信链路不同的拥塞类型采取不同的控制策略，提高网络带宽的利用率。

Description

基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法
技术领域
本发明属于空间网络数据通信技术领域，具体涉及一种基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法。
技术背景
随着航天技术和信息技术的飞速发展和应用，空间网络在政治、经济和军事等领域的战略地位日益提高，空间网络的建设势在必行。空间网络是在不同轨道上多种类型的卫星系统、空间站等，按照空间信息资源的最大有效利用原则，互通互连，有机构成的智能化体系，同时又与大陆、海、空共同构成天地一体化网络系统。
空间数据系统咨询委员会(CCSDS)在TCP协议的基础上，进行了相应的研究和扩展，提出了空间通信协议规范传输协议(SCPS-TP)，SCPS-TP把Vegas做为传输控制协议的拥塞控制算法，Vegas由于可以预测网络的拥塞状态，提前进行发送窗口的缩放调整，从而提高了信道的通信效率。据统计，采用Vegas算法的网络比采用Reno算法的网络吞吐量要提高37％～71％，丢包率要减小20％～50％。但是，由于Vegas算法是为地面网络而设计，虽然它比其它协议更适合卫星网络，但是它没有充分考虑卫星网络独有的特点，如变化的往返时延、较长的传播时延、高误码率、带宽不对称等特点，造成不能准确预测网络拥塞状态或不能对当前网络拥塞情况做出快速的响应，从而浪费信道宝贵的通信资源。如何在卫星网络中提高Vegas算法的通信效率成为人们研究的热点问题。
学者们提出了许多方法，从RTT、α和β等不同方面对TCP Vegas进行了改进，在一定程度上能够提高链路的拥塞控制效果，但归根到底都需要通过RTT的测算值来估算链路状态，而由于空间通信链路的传输时延较大，使得RTT的值很难被精确测出，从而使现有技术的拥塞控制效果并不十分理想。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法，包括以下步骤：
步骤1，在基于SCPS-TP协议的卫星与地面通信数据传输过程中，通信双方开启TCP时间戳；
步骤2，利用PTP时钟同步算法计算卫星通信端节点与地面通信端节点时钟偏移量Offset；
步骤3，设定拥塞控制参数下限特征值α的初始值、拥塞控制参数上限特征值β的初始值，以及拥塞窗口大小cwnd的初始值；
步骤4，计算当前t时刻的卫星与地面通信数据传输过程中的正向链路的最小时延baseTforward、正向链路的期望吞吐量Expected(t)forward和正向链路的实际吞吐量Actual(t)forward，从而得到当前t时刻的拥塞控制参数Δ；
步骤5，根据当前t时刻的拥塞控制参数Δ与当前t时刻拥塞控制参数下限特征值α、当前拥塞控制参数上限特征值β的大小关系，对当前t时刻拥塞窗口大小cwnd，以及拥塞控制参数下限特征值α和拥塞控制参数上限特征值β进行调整，返回步骤4。
所述步骤1，TCP时间戳格式包括：
类型，值为8字节；长度，值为10字节；发送时间，值为4字节；发送时间回显，值为4字节。
所述步骤4包括以下步骤：
步骤4.1，对卫星与地面通信数据进行分组；步骤4.2，计算数据分组i的正向链路时延Tforward(i)，以及数据分组i之前最近的一个成功接收的数据分组j的正向链路时延Tforward(j)；
所述数据分组i的正向链路时延Tforward(i)的计算公式如下所示：
Tforward(i)＝tarrive(i)-tsend(i)；
其中，i＝1，2，3……，tarrive(i)为经过时钟偏移量Offset修正的数据分组i到达接收端的时间，tsend(i)为实测得到的数据分组i从发送端发送出去的时刻；
步骤4.3，计算数据分组i和数据分组j的正向链路的当前时延差ΔT(i)，即数据分组i的正向链路时延Tforward(i)与数据分组j的正向链路时延Tforward(j)之差；
步骤4.4，将观察期间的数据分组i的正向链路时延Tforward(i)的最小值作为正向链路的最小时延baseTforward；
步骤4.5，计算当前t时刻的正向链路期望吞吐量Expected(t)forward，即当前t时刻拥塞窗口大小cwnd与正向链路的最小时延baseTforward的比值；
步骤4.6，计算并保存当前t时刻正向链路的实际吞吐量Actual(t)forward，即当前t时刻拥塞窗口大小cwnd与数据分组i的正向链路时延Tforward(i)的比值；
步骤4.7，计算当前t时刻卫星与地面通信数据传输的拥塞控制参数Δ；
所述当前t时刻卫星与地面通信数据传输的拥塞控制参数Δ的计算公式如下所示：
Δ＝(Expected(t)forward-Actual(t)forward)×baseTforward。
所述步骤5，根据当前t时刻的拥塞控制参数Δ与当前t时刻拥塞控制参数下限特征值α、当前拥塞控制参数上限特征值β的大小关系，对当前t时刻拥塞窗口大小cwnd，以及拥塞控制参数下限特征值α和拥塞控制参数上限特征值β进行调整，其具体的调整策略分为以下三种：
(1)当Δ<α时，比较当前t时刻的实际吞吐量Actual(t)forward和t时刻前一个RTT的实际吞吐量Actual(t-RTT)forward的大小：
当Actual(t)forward>Actual(t-RTT)forward时，令cwnd＝cwnd+2、α＝α+1、β＝β+1；
当Actual(t)forward≤Actual(t-RTT)forward时，判断数据分组i和数据分组j的正向链路的当前时延差ΔT(i)的大小：
当ΔT(i)≤0，令cwnd＝cwnd+2、α＝α+1、β＝β+1；
当ΔT(i)>0，令cwnd＝cwnd+1、保持α和β的值不变；
(2)当α≤Δ≤β时，比较当前t时刻的实际吞吐量Actual(t)forward和t时刻前一个RTT的实际吞吐量Actual(t-RTT)forward的大小：
当Actual(t)forward>Actual(t-RTT)forward时，令cwnd＝cwnd+1、α＝α+1、β＝β+1；
当Actual(t)forward≤Actual(t-RTT)forward时，判断数据分组i和数据分组j的正向链路的当前时延差ΔT(i)的大小：
当ΔT(i)≤0，令cwnd＝cwnd+1、保持α和β的值不变；
当ΔT(i)>0，保持cwnd、α和β的值不变；
(3)当Δ>β时，比较当前t时刻的实际吞吐量Actual(t)forward和t时刻前一个RTT的实际吞吐量Actual(t-RTT)forward的大小：
当Actual(t)forward>Actual(t-RTT)forward时，令cwnd＝cwnd+1/cwnd、保持α和β的值不变；
当Actual(t)forward≤Actual(t-RTT)forward时，判断数据分组i和数据分组j的正向链路的当前时延差ΔT(i)的大小：：
当ΔT(i)≤0，令cwnd＝cwnd+1/cwnd、保持α和β的值不变；
当ΔT(i)>0，令cwnd＝cwnd-1、α＝α-1、β＝β-1。
在步骤3至步骤5的控制过程中，拥塞控制参数下限特征值α的数值≥2，拥塞控制参数上限特征值β的数值≥2。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法，该控制方法可以在卫星与地面通信时，在正返向链路正常或返向链路发生拥塞但不严重时，以正向链路时延的变化来衡量正向链路的拥塞程度，在拥塞窗口调整的过程中，根据前后两个相邻RTT内吞吐量的变化和两个相邻成功接收的数据分组的正向链路时延差，对链路状态进一步细分，使得链路状态的判断更加精准，对不同的拥塞类型采取不同的拥塞控制策略，以提高拥塞窗口的调整效率，并进一步提高拥塞控制时正向链路的带宽利用率，从而提高了数据传输效率，减小数据包传输延迟时间。
本发明提出的控制方法不需要修改TCP数据包格式，只需通信双方开启TCP数据包时间戳选项，与上层协议与应用完全兼容。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法流程图。
图2为本发明具体实施方式中的TCP时间戳选项格式示意图。
图3为本发明具体实施方式中的对拥塞控制参数进行调整从而实现传输控制层拥塞控制过程的流程图。
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实例，对本发明做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。
本发明提出一种基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，在基于SCPS-TP协议的卫星与地面通信数据传输过程中，通信双方开启TCP时间戳；TCP时间戳位于TCP选项中，时间戳选项格式如图2所示；时间戳选项格式包括：
类型，值为8字节；长度，值为10字节；发送时间，值为4字节；发送时间回显，值为4字节。
步骤2，利用PTP时钟同步算法计算卫星通信端节点与地面通信端节点时钟偏移量Offset。
步骤3，设定拥塞控制参数下限特征值α的初始值、拥塞控制参数上限特征值β的初始值，以及拥塞窗口大小cwnd的初始值。
对拥塞控制参数进行调整从而实现传输控制层拥塞控制过程的流程图如图3所示。
步骤4，计算当前t时刻的卫星与地面通信数据传输过程中的正向链路的最小时延baseTforward、正向链路的期望吞吐量Expected(t)forward和正向链路的实际吞吐量Actual(t)forward，从而得到当前t时刻的拥塞控制参数Δ；计算过程包括以下步骤：
步骤4.1，对卫星与地面通信数据进行分组；
本实施方式中，对卫星与地面通信数据进行分组，将任意数据分组设定为数据分组i，将数据分组i之前最近的一个成功接收的数据分组设定为数据分组j；
步骤4.2，计算数据分组i的正向链路时延Tforward(i)，以及数据分组i之前最近的一个成功接收的数据分组j的正向链路时延Tforward(j)，如公式(1)所示：
Tforward(i)＝tarrive(i)-tsend(i),i＝1，2，3……(1)
其中，tarrive(i)为经过时钟偏移量Offset修正的数据分组i到达接收端的时间，到达时间通过应答数据分组的时间戳返回；tsend(i)为实测得到的数据分组i从发送端发送出去的时刻；接着利用上述公式(1)计算数据分组i之前最近的一个成功接收的数据分组j的正向链路时延Tforward(j)，如果数据分组i之前没有成功接收的数据分组，则Tforward(j)＝0。
步骤4.3，计算数据分组i和数据分组j的正向链路的当前时延差ΔT(i)，如公式(2)所示：
ΔT(i)＝Tforward(i)-Tforward(j) (2)
步骤4.4，将观察期间的数据分组i的正向链路时延Tforward(i)的最小值作为正向链路的最小时延baseTforward，如公式(3)所示：
baseTforward＝Min(Tforward(i)),i＝1，2，3…… (3)
步骤4.5，计算当前的正向链路期望吞吐量Expected(t)forward，如公式(4)所示：
Expected(t)forward＝cwnd(t)/baseTforward (4)
其中cwnd(t)为时刻t时拥塞窗口的大小。
步骤4.6，计算并保存当前正向链路的实际吞吐量Actual(t)forward，如公式(5)所示：
Actual(t)forward＝cwnd(t)/Tforward(i) (5)
读取之前计算并记录的t时刻前一个RTT的实际吞吐量Actual(t-RTT)forward。
步骤4.7，计算当前t时刻卫星与地面通信数据传输的拥塞控制参数Δ，如公式(6)所示：
Δ＝(Expected(t)forward-Actual(t)forward)×baseTforward (6)
步骤5，根据当前t时刻的拥塞控制参数Δ与当前t时刻拥塞控制参数下限特征值α、当前拥塞控制参数上限特征值β的大小关系，对当前t时刻拥塞窗口大小cwnd，以及拥塞控制参数下限特征值α和拥塞控制参数上限特征值β进行调整，返回步骤4。
根据Δ与α、β关系的不同而采用不同的cwnd、α和β的调整策略，其具体的调整策略可分为如下三种：
(1)当Δ<α时，表明当前实际吞吐量Actual(t)forward与当前期望吞吐量Expected(t)forward相差不大，正向链路中排队的数据分组较少，正向链路处于未饱和的状态。此时应进一步比较当前的实际吞吐量Actual(t)forward和其前一个RTT的实际吞吐量Actual(t-RTT)forward的大小：
当Actual(t)forward>Actual(t-RTT)forward时，则表明正向链路处于未饱和的状态且远离饱和，此时可较大幅度地增大cwnd的值，令cwnd＝cwnd+2；同时，为了加快下一轮调整过程中的cwnd增长趋势，以提高正向链路的带宽利用率，应增加α和β的值，令α＝α+1，β＝β+1。
反之，当Actual(t)forward≤Actual(t-RTT)forward时，此时可进一步分析相邻数据分组的时延变化趋势，并按不同的变化趋势调整cwnd的增长幅度：
若ΔT(i)≤0，说明数据分组i传输时的正向链路时延有减小趋势，即正向链路中排队的数据分组减少，正向链路处于临近饱和的状态但正在远离饱和，可较大幅度地增大cwnd的值，令cwnd＝cwnd+2；同时，为了加快下一轮调整过程中的cwnd增长趋势，以提高正向链路的带宽利用率，应增加α和β的值，令α＝α+1，β＝β+1；
否则ΔT(i)>0，说明数据分组i传输时的正向链路时延有增长趋势，即正向链路中排队的数据分组增多，正向链路处于临近饱和的状态且正在进一步地接近饱和，可适当地增大cwnd的值，令cwnd＝cwnd+1；同时，为了保持下一轮调整过程中的cwnd增长趋势，应保持α和β的值不变。
(2)当α≤Δ≤β时，表明当前实际吞吐量Actual(t)forward与当前期望吞吐量Expected(t)forward有一定差距，正向链路中排队的数据分组较多，正向链路处于临近饱和的状态。此时应进一步比较当前的实际吞吐量Actual(t)forward和其前一个RTT的实际吞吐量Actual(t-RTT)forward的大小：
当Actual(t)forward>Actual(t-RTT)forward时，则表明正向链路处于临近饱和的状态且尚未饱和，此时可适当地增大cwnd的值，令cwnd＝cwnd+1；同时，为了保持cwnd的增长趋势，以提高正向链路的带宽利用率，应增加α和β的值，令α＝α+1，β＝β+1。
反之，当Actual(t)forward≤Actual(t-RTT)forward时，此时可进一步分析相邻数据分组的时延变化趋势，并按不同的变化趋势调整cwnd的增长幅度：
若ΔT(i)≤0，说明数据分组i传输时的正向链路时延有减小趋势，即正向链路中排队的数据分组减少，正向链路处于临近饱和的状态但正在远离饱和，可较适当地增大cwnd的值，令cwnd＝cwnd+1；同时，并了保持下一轮调整过程中的cwnd增长趋势，应保持α和β的值不变；
否则ΔT(i)>0，说明数据分组i传输时的正向链路时延有增长趋势，即正向链路中排队的数据分组增多，正向链路处于临近饱和的状态且正在进一步地接近饱和，为充分利用正向链路带宽且不发生拥塞，应保持cwnd、α和β的值不变。
(3)当Δ>β时，表明当前实际吞吐量与当前期望吞吐量相差较大，正向链路中排队的数据分组很多，正向链路已经处于饱和的状态，但未发生拥塞。此时应进一步比较当前的实际吞吐量和其前一个RTT的实际吞吐量的大小：
当Actual(t)forward>Actual(t-RTT)forward时，则表明正向链路处于饱和的状态但还能容纳一些数据分组，此时还可小幅度地增大cwnd的值，令cwnd＝cwnd+1/cwnd，但不应加快cwnd的增长趋势，即保持α和β的值不变；
反之，当Actual(t)forward≤Actual(t-RTT)forward时，此时可进一步分析相邻数据分组的时延变化趋势，并按不同的变化趋势调整cwnd的增长幅度：
若ΔT(i)≤0，说明数据分组i传输时的正向链路时延有减小趋势，即正向链路中排队的数据分组减少，正向链路处于饱和的状态但正在远离饱和，可较小幅度地增大cwnd的值，令cwnd＝cwnd+1/cwnd；同时，为了保持下一轮调整过程中的cwnd增长趋势，应保持α和β的值不变；
否则ΔT(i)>0，说明数据分组i传输时的正向链路时延有增长趋势，即正向链路中排队的数据分组增多，正向链路处于饱和的状态且正在接近拥塞，应立即减小cwnd的值，令cwnd＝cwnd-1；同时，为了避免在下一轮调整过程中发生拥塞，还应减小α和β的值，令α＝α-1，β＝β-1(其中α≥2，β≥2)。
然后，返回步骤4。
本发明的优势在于，当正返向链路正常或返向链路发生拥塞但不严重时，以正向链路时延的变化来衡量正向链路的拥塞程度，在拥塞窗口调整的过程中，根据前后两个相邻RTT内吞吐量的变化和两个相邻成功接收的数据分组的正向链路时延差，对链路状态进一步细分，使得链路状态的判断更加精准，以提高拥塞窗口的调整效率，并进一步提高拥塞控制时正向链路的带宽利用率。如果正向或返向链路发生拥塞比较严重使数据分组传输超时，重传该数据分组。另一方面，该算法不需要修改TCP数据包格式，只需通信双方开启TCP数据包时间戳选项，与上层协议和应用完全兼容。

Claims (3)

1.一种基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在基于空间通信协议规范传输协议SCPS-TP协议的卫星与地面通信数据传输过程中，通信双方开启TCP时间戳；
步骤2，利用PTP时钟同步算法计算卫星通信端节点与地面通信端节点时钟偏移量Offset；
步骤3，设定拥塞控制参数下限特征值α的初始值、拥塞控制参数上限特征值β的初始值，以及拥塞窗口大小cwnd的初始值；
步骤4，计算当前t时刻的卫星与地面通信数据传输过程中的正向链路的最小时延baseTforward、正向链路的期望吞吐量Expected (t)forward和正向链路的实际吞吐量Actual(t)forward，从而得到当前t时刻的拥塞控制参数Δ，包括以下步骤：
步骤4.1，对卫星与地面通信数据进行分组；
步骤4.2，计算数据分组i的正向链路时延Tforward (i)，以及数据分组i之前最近的一个成功接收的数据分组j的正向链路时延Tforward(j)；
所述数据分组i的正向链路时延Tforward(i)的计算公式如下所示：
Tforward(i)＝tarrive(i)-tsend(i)；
其中，i＝1，2，3……，tarrive(i)为经过时钟偏移量Offset修正的数据分组i到达接收端的时间，tsend(i)为实测得到的数据分组i从发送端发送出去的时刻；
步骤4.3，计算数据分组i和数据分组j的正向链路的当前时延差ΔT(i)，即数据分组i的正向链路时延Tforward(i)与数据分组j的正向链路时延Tforward(j)之差；
步骤4.4，将观察期间的数据分组i的正向链路时延Tforward (i)的最小值作为正向链路的最小时延baseTforward；
步骤4.5，计算当前t时刻的正向链路期望吞吐量Expected(t)forward，即当前t时刻拥塞窗口大小cwnd与正向链路的最小时延baseTforward的比值；
步骤4.6，计算并保存当前t时刻正向链路的实际吞吐量Actual(t)forward，即当前t时刻拥塞窗口大小cwnd与数据分组i的正向链路时延Tforward(i)的比值；
步骤4.7，计算当前t时刻卫星与地面通信数据传输的拥塞控制参数Δ；
所述当前t时刻卫星与地面通信数据传输的拥塞控制参数Δ的计算公式如下所示：
Δ＝(Expected(t)forward-Actual(t)forward)×baseTforward；
步骤5，根据当前t时刻的拥塞控制参数Δ与当前t时刻拥塞控制参数下限特征值α、当前拥塞控制参数上限特征值β的大小关系，对当前t时刻拥塞窗口大小cwnd，以及拥塞控制参数下限特征值α和拥塞控制参数上限特征值β进行调整，返回步骤4；
所述步骤5，根据当前t时刻的拥塞控制参数Δ与当前t时刻拥塞控制参数下限特征值α、当前拥塞控制参数上限特征值β的大小关系，对当前t时刻拥塞窗口大小cwnd，以及拥塞控制参数下限特征值α和拥塞控制参数上限特征值β进行调整，其具体的调整策略分为以下三种：
(1)当Δ＜α时，比较当前t时刻的实际吞吐量Actual(t)forward和t时刻前一个RTT的实际吞吐量Actual(t-RTT)forward的大小：
当Actual(t)forward＞Actual(t-RTT)forward时，令cwnd＝cwnd+2、α＝α+1、β＝β+1；
当Actual(t)forward≤Actual(t-RTT)forward时，判断数据分组i和数据分组j的正向链路的当前时延差ΔT(i)的大小：
当ΔT(i)≤0，令cwnd＝cwnd+2、α＝α+1、β＝β+1；
当ΔT(i)＞0，令cwnd＝cwnd+1、保持α和β的值不变；
(2)当α≤Δ≤β时，比较当前t时刻的实际吞吐量Actual(t)forward和t时刻前一个RTT的实际吞吐量Actual(t-RTT)forward的大小：
当Actual(t)forward＞Actual(t-RTT)forward时，令cwnd＝cwnd+1、α＝α+1、β＝β+1；
当Actual(t)forward≤Actual(t-RTT)forward时，判断数据分组i和数据分组j的正向链路的当前时延差ΔT(i)的大小：
当ΔT(i)≤0，令cwnd＝cwnd+1、保持α和β的值不变；
当ΔT(i)＞0，保持cwnd、α和β的值不变；
(3)当Δ＞β时，比较当前t时刻的实际吞吐量Actual(t)forward和t时刻前一个RTT的实际吞吐量Actual(t-RTT)forward的大小：
当Actual(t)forward＞Actual(t-RTT)forward时，令cwnd＝cwnd+1/cwnd、保持α和β的值不变；
当Actual(t)forward≤Actual(t-RTT)forward时，判断数据分组i和数据分组j的正向链路的当前时延差ΔT(i)的大小：
当ΔT(i)≤0，令cwnd＝cwnd+1/cwnd、保持α和β的值不变；
当ΔT(i)＞0，令cwnd＝cwnd-1、α＝α-1、β＝β-1。
2.如权利要求1所述的基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤1，TCP时间戳格式包括：
类型，值为8字节；长度，值为10字节；发送时间，值为4字节；发送时间回显，值为4字节。
3.如权利要求1所述的基于正向时延的卫星网络传输控制层拥塞控制方法，其特征在于：在步骤3至步骤5的控制过程中，拥塞控制参数下限特征值α的数值≥2，拥塞控制参数上限特征值β的数值≥2。
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