CN111770191A

CN111770191A - 一种空地高速可靠文件传输通信方法

Info

Publication number: CN111770191A
Application number: CN202010640080.2A
Authority: CN
Inventors: 林静
Original assignee: CETC Avionics Co Ltd
Current assignee: CETC Avionics Co Ltd
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2020-10-13

Abstract

本发明公开了一种空地高速可靠文件传输通信方法，涉及航空通信技术领域，其技术方案要点是：包括应用层和传输层，所述传输层与应用层之间设置文件传输中间层；所述文件传输中间层：根据TCP协议传输控制流信息：发送方通过向接收方的TCP端口发起连接打开文件传输会话，同时发送方和接收方进行协议版本协商，并且接收方对文件传输过程中使用的参数进行设定；以及，根据UDP协议传输数据流信息：接收方创建一个UDP端口并告知发送方，然后发送方开始发送文件，解决了现有机载设备与地面对端通信过程存在TCP协议在高延时的空地链路中进行文件实时传输造成的低效率，以及UDP协议易丢包并且容易造成网络拥塞的问题。

Description

一种空地高速可靠文件传输通信方法

技术领域

本发明涉及航空通信技术领域，更具体地说，它涉及一种空地高速可靠文件传输通信方法。

背景技术

飞机处于飞行状态时，机载设备与地面对等端之间的通信链路的端到端传输时延往往很高。例如，海事卫星链路的端到端传输时延高达数百毫秒，来回通信延迟可达秒级。这种情况使得传统的确保端到端可靠传输的“停止-等待”协议，例如TCP协议，无法充分利用空地链路的传输能力。原因是只有当发送方停止传输，等待接收方回传的确认数据成功接收的消息之前发送了足够多的数据时，协议才能达到最佳吞吐量。如果与空地链路的带宽时延乘积(链路的传输能力<每秒比特>与来回通信延时<单位秒>)相比，发送方发送的数据量不足，那么说明该链路并没有保持在繁忙状态，正运行在传输峰值以下。

然而，在一些应用场景下，可靠传输是空地之间数据传输服务必须具备的特征。例如，对于航空高安全性的实时应用CPDLC而言，空地数据传输的丢包将导致机组没有收到管制员的指令(例如爬升到指定高度、改变航路、保持指定间隔)，从而造成飞行安全隐患。又例如，在空地间传输图像信息(例如气象图像)时，丢包将影响图像的清晰度和完整性。

为了解决“停止-等待”类协议在高带宽时延乘积网络中的低传输效率问题，网络专家们提出了很多改进方案：

(1)使用超大的数据包进行传输；这种方案需要对TCP协议进行改造，会导致与广泛部署的TCP/IP架构网络的兼容性问题。并且，超大的数据包将导致IP层需要对数据包进行分片，降低了IP层的效率；

(2)对于单个文件使用多个并发的TCP流进行传输；这种方案不需要对TCP协议进行改造，但是这种方案没有从根源上解决问题。而且使用多个并发的TCP流进行文件传输的软件与使用单个TCP流的软件同时竞争网络资源，有失公平；

(3)Tsunami协议；这种方案不需要对TCP协议进行改造，是一个在传输层协议之上的，类似于FTP协议的应用层协议。该协议将文件传输的控制流和数据流进行分离，使用TCP协议传输控制流信息，使用UDP传输数据流信息。TCP协议保障了控制流信息的可靠传输，UDP协议避免了“停止-等待”造成的空地链路传输能力没有得到充分利用的问题。

然而，Tunami协议类似于FTP协议，用于服务器与客户端之间的文件传输。而飞机飞行过程中，空地之间的文件传输多为实时传输，例如飞行员与管制员之间的消息传输(请求改变飞行高度、速度、航路等消息交互)、图像传输(实时气象图片)、语音通话、视频通话，这些传输场景中没有"服务器"和"客户端"的概念，不存在"客户端"向"服务器"请求下载"服务器"上已有的文件的场景，Tunami协议无法应用于空地之间的实时文件传输。因此，如何研究设计一种空地高速可靠文件传输通信方法是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有机载设备与地面对端通信过程存在TCP协议在高延时的空地链路中进行文件传输造成的低效率，以及UDP协议易丢包并且容易造成网络拥塞的问题，本发明提供了一种空地高速可靠文件传输通信方法，是一种适用于飞机飞行过程中的文件实时传输协议，飞机停留在地面上时，可以使用"低延时"网络，例如：4G、Wifi等。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种空地高速可靠文件传输通信方法，包括应用层和传输层，所述传输层与应用层之间设置文件传输中间层；所述文件传输中间层：

根据TCP协议传输控制流信息：发送方通过向接收方的TCP端口发起连接打开文件传输会话，同时发送方和接收方进行协议版本协商，并且接收方对文件传输过程中使用的参数进行设定；

以及，根据UDP协议传输数据流信息：接收方创建一个UDP端口并告知发送方，然后发送方开始发送文件。

优选的，所述参数设定包括：单个文件块大小、目标传输速率、最大丢包率以及重传队列大小。

优选的，所述文件传输过程中：

若所述接收方当前接收到的文件块的标号大于接收方期望的文件块的标号，则接收方判断有文件块在传输过程中丢失，并将丢失文件块的序号放入重传队列；

所述接收方定时检查重传队列，若重传队列不为空，则接受方向发送方发送重传请求，要求发送方重新发送重传队列中的所有文件块；

当所述接收方收到重传队列中标记的文件块时，将相应文件块对应的序号从重传队列中移除。

优选的，当所述重传队列存满时，接收方向发送方发送重启传输请求，发送方根据重启传输请求从重传队列中最早加入的文件块开始重新传输未传完的文件。

优选的，所述文件传输过程中：

所述接收方通过TCP端口将文件块丢包率信息发送给发送方；

所述发送方将根据文件块丢包率信息调节发送速率：

若丢包率高于发送方与接收方协商一致的最大值，则发送方将逐渐降低发送速率；

若丢包率小于最大值，则发送方将逐渐增大发送速率，直到当前发送速率等于与接收方协商一致的发送速率。

优选的，当所述文件传输完成时，接收方向发送方发送结束请求消息，结束本次文件传输会话；所述发送方和接收方释放TCP连接。

优选的，所述文件传输中间层部署在应用层中，应用层根据自身需要来固化文件传输参数。

优选的，所述文件传输中间层部署为独立层次，作为公用组件为多个应用提供文件传输服务；所述文件传输中间层为应用提供应用注册接口、文件发送接口以及文件接收接口。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)将控制流与数据流分离，实时传输机制有良好的灵活性；

(2)充分利用TCP协议的可靠传输特性和UDP协议的高效率特性的同时，避免了TCP协议在高延时的空地链路中进行文件实时传输造成的低效率问题，以及UDP协议易丢包并且容易造成网络拥塞的问题，实现了空地之间文件可靠和高速传输；

(3)向上层应用提供协议特性设置接口，供应用根据自身需要设置数据块分块大小、重传队列深度、目标传输速率等特性。

(4)文件传输中间层部署方式灵活，可部署于应用中，也可独立作为公用组件进行部署。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中的架构图；

图2是本发明实施例中协商成功过程示意图；

图3是本发明实施例中发送方拒绝的协商失败过程示意图；

图4是本发明实施例中接收方拒绝的协商失败过程示意图；

图5是本发明实施例中定时检查文件块重传过程示意图；

图6是本发明实施例中重传列表存满文件块重传过程示意图；

图7是本发明实施例中传输速率调节过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-7，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：一种空地高速可靠文件传输通信方法，如图1所示，适用于机载设备与地面对端通信的系统包括应用层、传输层、网际层、数据链路，本发明在传输层与应用层之间设置文件传输中间层。

(一)传输机制

文件传输中间层用于：

根据TCP协议传输控制流信息：发送方通过向接收方的TCP端口发起连接打开文件传输会话，同时发送方和接收方进行协议版本协商，并且接收方对文件传输过程中使用的参数进行设定。参数设定包括但不限于：单个文件块大小、目标传输速率、最大丢包率以及重传队列大小。

文件传输中间层仅支持传输，而不支持交互。

如图2所示，发送方在File_Transfer_Req消息中告知接收方文件传输的协议版本和文件大小。接收方在File_Transfer_Accept消息中对协议版本和文件大小进行确认、对文件传输过程中使用的参数进行设定、并且告知发送方自己的文件接收端口号(UDP端口)，发送方收到File_Transfer_Accept消息后，如果支持接收方设定的参数，则立即开始进行文件传输。

如图3所示，如果不支持接收方设定的文件传输过程中使用的参数，则发送方将发送File_Transfer_Abort消息并在消息中说明原因。

如图4所示，如果接收方不支持发送方的文件传输协议版本，或者无法接收文件，则接收方将向发送方发送File_Transfer_Abort消息拒绝文件传输请求并在消息中说明拒绝原因。原因有：暂时没有能力接收、存储资源不足等等。

(二)文件块重传

如图5所示，发送方初始发送的文件块为“原始文件块”。接收方可以通过TCP端口向发送方请求重传某一个或者某一些文件块，这些文件块对与发送方而言是“重传文件块”。

发送过程中，接收方实时跟踪文件块是否已收到。若接收方当前接收到的文件块的标号大于接收方期望的文件块的标号，则接收方判断有文件块在传输过程中丢失，并将丢失文件块的序号放入重传队列。对于接收方而言，重传队列是一个文件块序号清单。接收方定时检查重传队列，若重传队列不为空，则接受方向发送方发送重传请求，要求发送方重新发送重传队列中的所有文件块。整个过程中，重传队列是动态变化的。当接收方收到重传队列中标记的文件块时，将相应文件块对应的序号从重传队列中移除。

如图6所示，在传输文件块的过程中，当重传队列存满时，接收方向发送方发送重启传输请求，发送方根据重启传输请求从重传队列中最早加入的文件块开始重新传输未传完的文件。

(三)传输速率调节

刚开始发送文件块时，发送方将根据事先与接收方协商一致的速率进行发送，确保文件块与文件块之间的时间间隔满足接收方的要求。之后，发送方将根据接收方反馈的信息调节发送速率。

具体的实现方法是：在接收文件的过程中，接收方将通过TCP端口将文件块丢包率信息发送给发送方。发送方将根据文件块丢包率信息调节发送速率。如果丢包率高于发送方与接收方协商一致的最大值，那么发送方将逐渐降低发送速率；如果丢包率小于最大值，那么发送方将逐渐增大发送速率，直到当前发送速率等于与接收方协商一致的发送速率。

(四)传输速率调节

如图5与图6所示，由于发送方在File_Transfer_Req消息中告知了接收方待发送文件的大小，并且接收方已知单个文件块的大小，所以接收方知道什么情况下文件传输已经完成。当文件传输完成时，接收方向发送方发送File_Transfer_Terminate消息，结束本次文件传输会话。此时，发送方和接收方将释放TCP连接。接收方对文件块进行确认时，只对未接收到的文件块进行确认，并且是通过Retransmission_Req消息和Restart_Req消息进行集中确认，与逐一对文件块进行确认的方式相比，本发明降低了链路中的数据传输量。

(五)文件传输中间层部署

文件传输中间层有多种部署方式，可根据实际需要部署在应用中，或者作为一个独立的层次进行部署，作为公用组件为多个应用提供文件传输服务。

将文件传输中间层部署在应用中，作为应用的一部分时，应用可以根据自己的需要，固化一些文件传输参数。中间层作为公共组件进行部署时，考虑到不同的应用使用的文件传输参数值也不相同，所以应用应该向中间层进行注册，将自己个性化的文件传输参数值告知文件传输中间层。因此，作为公共组件的中间层将向应用提供以下接口：a)应用注册接口；b)文件发送接口(包括文件发送成功/失败之后进行确认的接口)；c)文件接收接口。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种空地高速可靠文件传输通信方法，包括应用层和传输层，其特征是，所述传输层与应用层之间设置文件传输中间层；所述文件传输中间层：

2.根据权利要求1所述的一种空地高速可靠文件传输通信方法，其特征是，所述参数设定包括：单个文件块大小、目标传输速率、最大丢包率以及重传队列大小。

3.根据权利要求1所述的一种空地高速可靠文件传输通信方法，其特征是，所述文件传输过程中：

4.根据权利要求3所述的一种空地高速可靠文件传输通信方法，其特征是，当所述重传队列存满时，接收方向发送方发送重启传输请求，发送方根据重启传输请求从重传队列中最早加入的文件块开始重新传输未传完的文件。

5.根据权利要求1所述的一种空地高速可靠文件传输通信方法，其特征是，所述文件传输过程中：

所述接收方通过TCP端口将文件块丢包率信息发送给发送方；

所述发送方将根据文件块丢包率信息调节发送速率：

6.根据权利要求1所述的一种空地高速可靠文件传输通信方法，其特征是，当所述文件传输完成时，接收方向发送方发送结束请求消息，结束本次文件传输会话；所述发送方和接收方释放TCP连接。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种空地高速可靠文件传输通信方法，其特征是，所述文件传输中间层部署在应用层中，应用层根据自身需要来固化文件传输参数。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种空地高速可靠文件传输通信方法，其特征是，所述文件传输中间层部署为独立层次，作为公用组件为多个应用提供文件传输服务；所述文件传输中间层为应用提供应用注册接口、文件发送接口以及文件接收接口。