一种基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法与流程

本发明属于深空信息传播领域，尤其涉及一种基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法。

背景技术：

随着人类探索宇宙的步伐不断加快，空间科学技术的水平也在不断提高，人类的目光已从地球本体瞄向了更深邃的太空。在人类征服太空过程中需要克服的困难之一就是如何在地球和外太空之间进行通讯，尤其是地球与深空(离地球的距离约等于或大于2×10⁶km的空间)之间的通信。

由于距离非常遥远，深空通信与地面通信差异巨大，其面临的主要挑战为：第一：距离远带来的长且可变时延及巨大的链路损耗；第二：链路间歇断续；第三：高且可变的误码率；第四：上下行链路非对称等。

深空数据传输最基本的协议是TCP协议，TCP(Transmission Control Protocol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，由IETF的RFC 793定义。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，用户数据报协议(UDP)是同一层内另一个重要的传输协议。在因特网协议族(Internet protocol suite)中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。

应用层向TCP层发送用于网间传输的、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(通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元MTU的限制)。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的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实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认(ACK)；如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。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。

但是在地面通信中通用的TCP协议在深空通信中性能很差，主要原因为：首先，深空通信中传播延时巨大，例如，火星到地球的往返时延根据星体的轨道位置不同通常在8.5到40分钟之间，如果往返时延大于通信持续时间，那么应用数据根本没有传输的机会。其次，由于星体自身的转动会造成深空通信链路周期性中断，而传统的TCP协议是一种面向连接的通信协议，在链路中断的情况下，TCP协议无法区分数据包丢失的原因是网络拥塞还是信道误码，它主要通过降低报文发送速率以避免拥塞的策略来处理误码。再次，深空信道的误码率(BER)通常比地面信道的误码率大，典型的深空通信误码率为10^-5，那么会产生过多的ACK，从而产生拥塞问题。最后，上、下行链路的传输速率不对称对TCP的吞吐量影响也非常大。由于TCP协议通过ARQ机制保证按顺序发送文件信息，任一丢失的数据包将引起该数据包之后的所有数据重新发送，进一步延长资源占用缓存的时间，不适用于缓存空间和处理能力有限的深空探测器。综上，现有的TCP协议在深空通信中的传播时延长、误码率高、非对称链路、链路断续以及异构网络等问题上面临严峻的挑战。在链路时延或者时延带宽积较大的深空网络，各种TCP改进协议相差不大且性能很差，在地球-火星之间甚至无法通信。

现有的空间通信协议都是在传统TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议的基础上发展起来的，大都是通过改进或增强TCP协议来提高空间通信的服务质量。SCPS-TP是SCPS的传输层协议，就是基于TCP协议扩展而来的，其可靠传输依然是采用先建立连接再传送数据的模式，在Go-back-N的自动请求重传(Automatic Repeat reQuest,ARQ)基础上提供选择性否定应答(Selective Negative Acknowledgement,SNACK)机制，仅要求重传未收到的那部分数据，但是未充分利用重传机制。

随着深空任务日趋复杂、空间数据日益增多及通信距离不断加大，人们又陆续提出了一些面向深空长距离通信的传输协议。其中，TP-planet是一种适用于星际骨干链路的可靠传输协议。它利用虚拟数据包来探测网络，通过基于速率的加性增加乘性减少(Additive-Increase Multiplicative Decrease,AIMD)拥塞控制策略来提高深空链路传输性能，并采用选择性肯定应答(Selective Acknowledgement,SACK)重传机制。RCP-Planet协议是与TP-planet相似的一个不可靠传输协议。它结合数据包级的前向纠错(Forward Error Correction,FEC)，采用速率控制方案来应对拥塞控制与错误，利用FEC数据块级的应答来应对带宽非对称。

后来，随着星际互联网(InterPlaNetary Internet,IPN)及空间容迟容断网络(Delay/Disruption-Tolerant Network,DTN)的提出，深空DTN网络环境下的传输协议不断涌现，包括CFDP、Saratoga、DS-TP(Deep-Space Transport Protocol)、DTTP(Delay-Tolerant Transport Protocol)及LTP协议等。其中，Saratoga协议是专门为对等点对点链路设计的，致力于有效的数据转发，假定链路层具有很强的前向纠错能力，是第一个被应用于DTN的汇聚层协议。DS-TP协议在文件传输方面虽然优于TCP、SCPS-TP及Saratoga协议，适合于连接时间短的场景，但是未考虑中断处理机制。DTTP是一种空间DTN网络可靠传输协议，提出了面向应用的传输策略。下面重点介绍常用的两种深空文件传输协议。

CFDP(CCSDS File Delivery Protocol)是指CFDP文件传输协议,一种空间通信传输协议。CFDP协议提供端到端的文件传输服务。其实现横跨应用层与传输层，包含两种操作：核心与扩展。其采用基于否定应答(Negative Acknowledgement,NAK)的ARQ机制来实现可靠通信。然而，在重传机制方面只要求重传错误或丢失的PDU一次，这在传输距离非常远，链路误码率极高的环境下性能会变差。

LTP(Licklider Transmission Protocol)是指Licklider传输协议，一种空间点对点长距离文件传输协议。LTP协议是在CFDP协议的基础上，专门为以极长距离及频繁中断为特征的单跳深空链路而设计的。它作为DTN协议体系中的一种汇聚层协议，可以提供基于重传的可靠服务。LTP协议设计中引入了会话的概念，可根据链路实际并行开启多个会话，进一步提高深空链路利用率。

但是，在深空长距离通信场景下，在一个LTP会话过程中，当最后一个红数据段(End of Red-Part,EORP)发送完毕后，信道会进入长时间的空闲状态，这会造成可见时间及信道资源的极大浪费。

为此，需要设计一种新的传输方案，能够提供较高的传输效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法，旨在解决现有的数据传输协议存在传输效率低下的问题。

本发明是这样实现的，一种基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法，包括以下步骤：

步骤A：发送端按顺序发送第i数据块Si，其中i为自然数，每个数据块发送完毕后发出一个检查点CP；

步骤B：接收端接收第i数据块，所述接收端在接收完毕第i数据块Si后接收到CP时向发送端发出一个接收报告段RS，所述RS内包含需要重传的信息；将接收端发出RS至接收端接收完毕第i+1数据块的时间记为T_block；

步骤C：发送端接收到所述接收端发出的RS后发送重传数据Ri，每段重传数据Ri发送完毕后发出一个检查点CP；

步骤D：接收端接收第i重传数据Ri，所述接收端在接收完毕第i重传数据Ri后接收到CP时向发送端发出一个接收报告段RS；将接收端收到Ri的CP后发出RS至接收端接收完毕第i+1重复数据Ri+1的时间记为T_RS，其中所述T_block大于或等于所述T_RS；

步骤E：重复步骤C、D，直到所有数据均传输完毕。

通过采用时分复用原理，在等待回复期间并发开启多个会话，大大提高链路的利用率，提高了效率。

本发明的进一步技术方案是：数据块Si由至少一个bundle打包压缩组成，所述bundle系指数据传输捆绑协议中需要进行单独回复的数据的集合。深空通信环境十分复杂，一个突出的特点就是上下行链路带宽非对称，下行链路带宽通常远大于上行链路，上行链路难免会对回复的接收报告(Report Segment,RS)造成较大的时延。有时，“包裹”(Bundle Protocol,BP)协议要传输很多个小bundle，并要求为每个bundle单独回复。在此情况下，为了保证可靠传输，需将BP层交付的多个小bundle聚合成一个数据Block，以此降低回复信道带宽。这样可以进一步提高传输的效率。

本发明的进一步技术方案是：所述数据块Si中bundle聚集数目N满足其中所述CR为上行信道数据传输速率和下行信道数据传输速率，L_RS为所述RS的数据长度；L_bundle为所述bundle的数据长度。这样才能够保证传输效率。

本发明的进一步技术方案是：所述T_block大于或等于所述T_RS。发送端开启多个会话并发传输多个数据块，接收端在回复并发送RS时，唯有做到与发送端同步，才不会导致RS堆积拥塞，需要满足T_RS≤T_Block。

本发明的进一步技术方案是：所述发送端在所述Si发送完毕后会发送一个EORP信号，所述EORP信号系指初始发送阶段中最后一个数据段。这样方便接收端识别每个数据块Si。

本发明的进一步技术方案是：所述重传数据Ri在开始重传时发送回复报告段RA。

本发明的进一步技术方案是：传输所述Si的总时间小于或等于RTT，其中i>1，所述RTT系指两倍的传播时延时间，即往返时延。这样可以简化程序并提高效率。

本发明的有益效果是：本方案提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法创造性地采用多会话的方法进行深空通讯，提高了深空信息的传输效率，缩短了传输时间，为更大数据量的信息传输提供的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法的传输模式示意图。

图2是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中bundle聚合的示意图。

图3是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中单个bundle长度相同的情况下bundle聚合数目N与RS长度间的关系。

图4是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中RS长度相同的情况下bundle聚合数目N与bundle长度间的关系。

图5是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中CR比例相同的情况下bundle聚合数目N与RS长度间的关系。

图6是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中CR比例相同的情况下聚合数目N与bundle长度间的关系。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

图1示出了本发明提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法的结构示意图。其中Si表示第i个会话(每个会话由若干bundle聚合组成)；R表示重传的数据；T_prop表示单向传播时延；RTT表示往返时延；EORP表示初始发送阶段中最后一个数据段；RS表示接收报告段；CP(CheckPoint)表示检查点(即要求接收端一旦收到EORP数据段必须回复一个接收报告段RS)；RA(Report-Acknowledgment segment)表示回复报告段；RT^(j)_Si表示在第i个会话中，第j个重传回合中红数据的传输时间；T_Block表示一个数据块的传输时间；T_RS表示一个RS的传输时间。

如图1，一种基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法，包括以下步骤：

首先，发送端发送第一个数据块S1；S1发送完毕后发送EORP和CP。

接下来，发送端继续发送第二个数据块S2，其基本过程与发送S1完全相同，接下来继续发送S3，以此类推一直到Sn，但是S2到Sn发送的总时间不能超过2倍的单向传播时延，即RTT。每个数据块之间可以有间隙，也可以没有间隙。

接收端首先接收到S1的信息，当接收端接收到全部S1的信息后会收到S1发出的EORP和CP，此时接收端发出一个RS以告诉发送端有那些数据是需要重新发送的。RS的长度可以预先设定，也可以根据需要进行修正。

做完上述工作后接收端继续接收S2数据块的数据并做出与接收S1数据块时完全相同的行动。接收端发出第一个RS(针对S1)与第二个RS(针对S2)之间的时间记为T_Block。

发送端接收到接收端传来的RS后进行处理。首先，所述重传数据在开始重传时发送回复报告段RA。并将需要重传的文件再次传输，该传输记为R，当R完全传输完毕后发送端再次发送一个CP。

此时发送端已经处理完S1的第一次重传，但是因为重传的文件R必定少于或等于传输S1的数据长度，所以需要的传输时间也相应的减少，所以与下次重传之间可能会有空隙。

接下来发送端收到了S2数据块产生的RS并做出与S1数据块RS相同的操作，第二个R完全发送完毕后发送端也会发送一个CP信号。则将第一个R发送完成产生的CP和第二个R发送完成产生的CP之间的时间记为T_RS。

发送端开启多个会话并发传输多个数据块，接收端在回复并发送RS时，唯有做到与发送端同步，才不会导致RS堆积拥塞，为此，需要满足T_RS≤T_Block。

接下来重复上述过程直到所有文件都传输完成。

可以看到，通过采用时分复用原理，在等待回复期间并发开启多个会话，大大提高链路的利用率，提高了效率。

为了进一步提高传输效率，本实施例中数据在传输前经过打包。图2是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中bundle聚合的示意图。

如图，数据块Si由至少一个bundle打包压缩组成，所述bundle系指数据传输捆绑协议中需要进行单独回复的数据的集合。深空通信环境十分复杂，一个突出的特点就是上下行链路带宽非对称，下行链路带宽通常远大于上行链路，上行链路难免会对回复的接收报告(Report Segment,RS)造成较大的时延。有时，“包裹”(Bundle Protocol,BP)协议要传输很多个小bundle，并要求为每个bundle单独回复。在此情况下，为了保证可靠传输，需将BP层交付的多个小bundle聚合成一个数据Block，以此降低回复信道带宽。这样可以进一步提高传输的效率。

所述数据块Si中bundle聚合数目N满足其中所述CR为上行信道数据传输速率和下行信道数据传输速率之比，L_RS为所述RS的数据长度；L_bundle为所述bundle的数据长度。这样才能够保证传输效率。

为了说明影响会话中bundle聚合数目的因素以及bundle聚合的原则。。本方案补充了实验数据。

图3是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中单个bundle长度相同的情况下bundle聚合数目N与RS长度间的关系。由图可以看出，小bundle(L_bundle＝1Kbytes)聚合的数目与RS的长度成线性关系，且随着上下行信道速率比的减小而逐渐增大。也即当bundle大小一定时，RS长度越长，一个Block中聚合的bundle数目越多。在RS长度一定的情况下，一个Block中聚合的bundle数目，随着上下行信道速率比的减小而增多。

图4是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中RS长度相同的情况下bundle聚合数目N与bundle长度间的关系。如图，当RS长度固定为70bytes时，bundle聚合的数目会随bundle长度的增加而逐渐减少，最终趋于稳定。也就是说，当bundle增加到一定长度后，一个bundle即可构成一个数据块，无需聚合。

图5是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中，在CR比例为1:100情况下bundle聚合数目N与RS长度间的关系。从图中可以看出，当bundle长度为1KB时，bundle聚合的数目与RS长度成阶梯增长的关系。即当RS长度在一段区间长度内，对应一个bundle聚合数。例如：当RS在[20,30]范围内时，所需的bundle聚合数为2。然而，当bundle长度超过16KB时，1个bundle即可满足传输需要而无需聚合，这是由于上下行信道速率比过低所造成的。

图6是本发明实施例提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法中CR比例固定的情况下聚合数目N与bundle长度间的关系。由图可以看出，在上下行信道速率比为1:500的情况下，bundle聚合的数目与bundle长度成递减关系；并且随着RS的增大，bundle聚合的数目也逐渐增大。特别地，当RS长度为20B且bundle长度超过16KB时，1个bundle即可满足传输需要，此时无需聚合处理。

上述结果说明影响会话中bundle聚合数目的因素有很多，不能一味地通过增大数据块的大小来最小化回复业务量，而需根据链路实际对小bundle聚合，从而提高多会话数据传输效率。

本方案提供的基于LTP多会话聚合策略的深空文件传输方法创造性地采用多会话的方法进行深空通讯，提高了深空信息的传输效率，缩短了传输时间，为更大数据量的信息传输提供的方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。