一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间通信网络传输层协议算法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间通信网络传输层协议算 法，属于卫星通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着空间技术和网络通信技术的进步，卫星通信技术取得了长足的发展，而其中 的低轨道（LEO)卫星通信系统由于其构成特殊，使得其具备实现全球信号覆盖、传输时延 相对小、对地面接收终端功率要求小及对地面站依赖小等一系列的优点。因此，近些年来， 低轨道（LEO)卫星通信系统成了卫星通信方面重点研究的网络，但同时由于空间卫星网络 和地面网络有很大的不同，地面网络传输协议（TCP)在空间卫星网中的性能较差，不能直 接套用地面网络，需要适应空间卫星网络特点的针对性传输协议的出现。
[0003] 随着近些年来相关协议的研究积累，空间数据系统咨询委员会（CCSD巧逐步建立 起一套空间通信协议标准，W适应空间通信领域。空间通信协议也正从单一的空间测控向 未来宽带、多业务的空间、Internet方向发展。为适应空间数据传输和多节点空间网络的 发展，空间数据系统咨询委员会（CCSD巧根据空间通信的特点规范了一套裁剪的Internet 协议，称为空间通信协议组SCPS(SpaceCommunicationProtocolSpecification),空 间通信协议组SCPS已经被国际标准化组织ISO采纳为国际标准，它包括文件协议SCPS FP(FileProtocol)、传输协议SCPSTP(TransportProtocol)、网络协议SCPSNP(Network Protocol)W及安全协议SCPSSP(Se州tityprotocol)。
[0004] SCPT-TP协议是传输层协议，提供指令和数据包可靠地端到端传输，并控制传输速 率，避免拥塞，维持链路带宽利用率。传输层协议SCPS-TP针对空间卫星通信网络中时延 较大、误比特率高导致的数据包易丢失、通信间断等特点，选择和改进TCP协议中的部分机 审Ij。SCPS-TP协议可W选用VanJacobson和Vegas两种拥塞避免机制。
[0005]Van化cobson和Vegas两种拥塞避免机制都是采用基于窗口的传输速率控制方 式，为充分利用带宽并避免拥塞，应使窗口尺寸接近于链路的带宽时延积抓P炬andwi化h DelayPro化ct)。Van化cobson机制包括慢启动和拥塞避免。慢启动阶段，发送窗口增长 与往返时间RTT(RoundTripTime)有关，呈指数关系增长，当窗口增长到慢启动阔值后，进 入拥塞避免阶段，防止数据发送速率过快导致拥塞出现，窗口增长按照线性方式递增。直到 发现丢包出现，即认为出现拥塞，窗口缩小为初始值，重新进入慢启动阶段。而Vegas机制 则是通过测量往返时间RIT的变化来比较预期的数据传输速率与实际速率，而后调整窗口 的大小。Vegas机制将观测到的最小的往返时间RIT作为基准往返时间RTTbad。，由当前观 测到的往返时间RIT和窗口尺寸CW计算5的值，5的计算公式如下所示；
[0006] 6二民 RTT
[0007] 而后确定两个口限值a和Ma<e，一般分别取值为1和3)。如果5<a，那么 负载轻，窗口小，可W继续增大窗口直到链路的带宽时延积抓P。如果5〉0，则是当前的发 送速率已经足够快，认为当前网络中的数据包排队时间增大，因此，发送窗口将减小W避免 拥塞出现。
[000引对于低轨道（LEO)卫星通信系统来说，端到端时延相对地面传输来说仍然很长， 较长的传输时延会导致发送端收到接收端反馈和进行速率调节所需要的时间都较长。而 Van化cobson机制总处于加速和减速的循环中，长时延导致反映有延迟，因此，会影响总体 性能。而Vegas机制具备一定的自我预测能力，可W主动进行调整。因此对于较长的时延 来说，Vegas机制相对性能更好些。
[0009] 同时，低轨道（LEO)卫星通信系统除了传输时延较长之外，还具有其他的特性。低 轨道（LEO)卫星通信系统拓扑结构不稳定、变化频繁、内部节点变化快、路由选择和路由重 构都较多。该些都造成端到端传输的瞬间时延变化较剧烈，即往返时间RIT瞬时变化较快， 会导致性能的降低甚至出现错误。因此，针对低轨道（LEO)卫星通信系统拓扑机构不稳定， 路由重构多的特性，对SCPS-TP协议的Vegas机制进行改进，完善拥塞避免机制，改善空间 传输协议，提高LEO通信网络的整体性能。
[0010] 对于Vegas机制来说，最为关键的是准确及时检测到往返时间RTT的突然变化情 况。而往返时间RIT突变的情况一般由两种原因造成。一是路由不变，只是跳数的变化。二 是路由重构造成。该两种情况都使得RIT突然变大或变小，Vegas机制难W判断往返时间 RTF突变的原因，引发的变化使得整体网络通信性能下降。
[0011] 我们针对该两种原因具体分析对通信性能的影响：
[0012] 一、路由重构
[0013] 在低轨道（LEO)卫星通信系统中，由于拓扑结构不稳定，节点的移动速度快，路由 重构的发生非常频繁，因此，不能够忽略路由重构对于传输协议的影响。在路由重构发生 时，往返时间RTT的值应当由新路由的往返时间RTT'和路由重构时间（re-route-time)两 部分组成。发送端只是监测到往返时间RTT的变化，并不能确定是引起往返时间RIT变化 的原因，因此，也不能转却判断路由变化的具体情况。
[0014] 当出现往返时间RTT变大情况时，由Vegas机制避免拥塞出现，会缩小窗口，但是 往返时间RTT的变大有可能会是因为路由扩增引起的，而路由扩增时，可W增加带宽吞吐 量即扩大窗口W保持较高效率的传输性能。因此，根据Vegas机制作出的反应与正确所需 正好相反，会导致吞吐量恶化，传输效率降低。而当往返时间RIT突然变小时，基准往返时 间RTTbad。也会更新变小，RTTbask等于当前的往返时间RTT。因此，此时的5 =0。该样会 导致窗口增大。发送端监测不到有可能会是路由缩减造成往返时间RIT变化，因此，会容易 导致拥塞的出现。
[0015] 当路由变化导致的往返时间R1T变大时，基准往返时间RTTba,i。不能够及时更新， 难W监测出路由扩增造成的往返时间RIT变化，因此，会降低吞吐量。当路由变化导致的往 返时间RTT变小时，基准往返时间RTTba,i。又因为更新太激进，容易导致拥塞的出现。因此， 路由重构造成网络性能下降或错误反应主要因为不能对基准往返时间RTTbad。进行准确更 新。
[0016] 二、路由不变，跳数变化
[0017] 路由不变，跳数增加，会导致传输路径突然变大，导致往返时间R1T会明显变大， 会导致5变大。该样根据Vegas机制避免拥塞作用，会缩小窗口，减小吞吐量。该样的反 应是错误的，降低网络的传输效率。路由不变，跳数减小，会导致传输路径突然变小，导致 RTT会明显变小，5也会变小。根据Vegas机制避免拥塞作用，会扩大窗口，扩大吞吐量。 该样的反应也会导致错误，路径减小，吞吐量增大，会增加拥塞出现的可能。W上两种因为 跳数的突然变化导致的传输时延的变化在发送端是监测不出来的，发送端只是把时延的变 化视为排队等待的时间变化，因此，难W准确的应对该种突然的时延变化，出现的反应也会 错误。
[0018] 目前，现有的SCPS-TP协议不能够准确判断跳数变化和路由重构带来的往返时间 RIT的变化。
【发明内容】
[0019] 针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间 通信网络传输层协议算法；
[0020] 本发明对现有的Vegas机制进行改进，对网络层协议即SCPS-NP协议包头信息进 行调整，准确判断往返时间RIT变化的原因，是因为拥塞还是因为跳数变化或路由重构，修 改基准往返时间RTTbasi。，完善传输层协议SCPS-TP协议。
[0021] 本发明的技术方案为；
[0022] 一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间通信网络传输层协议算法，SCPS-NP 协议化ader字段增加一个表项RC，所述SCPS-NP协议化ader字段是指SCPS-NP协议的包 头信息，空间通信网络的发送端与接收端之间的中间节点路由表增加一个表项RC，SCPS-NP 协议化ader字段的表项RC及路由表中的表项RC的初始值均为"false",路由表中的表项 RC表示中间节点路由的变化情况，所述变化情况包括路由扩张、缩减及不变，当路由扩张、 缩减时，所述路由表中的表项RC的值转变为"true",SCPS-NP协议化ader字段的表项RC 表示所述路由表中的表项RC的变化情况，当所述路由表中的表项RC的值转变为"true"时， SCPS-NP协议化ader字段的表项RC的值转变为"true";SCPS-TP协议的化ader字段增加 一个表项RCN，所述SCPS-TP协议化ader字段是指SCPS-TP协议的包头信息，所述表项RCN 表示所述SCPS-NP协议化ader字段的表项RC的值的变化情况，所述表项RCN的值默认为 "false";当所述SCPS-NP协议化ader字段的表项RC的值转变为"true"时，所述表项RCN 的值转变为"true";具体步骤包括：
[002引 （1)检测路由变化，如果中间节点的路由发生变化，中间节点路由表中的表项RC 的值转变为"true",进入步骤（2);如果中间节点的路由不发生变化，中间节点路由表中的 表项RC的值不变；
[0024] 似数据包到达步骤（1)所述中间节点时，发现所述路由表中的表项RC的值转变 为"true",SCPS-NP协议化ader字段的表项RC的值转变为"true",所述中间节点路由表 中的表项RC的值恢复为"false",转发数据包至接收端；
[0025] (3)接收端接收到步骤（2)所述数据包，发现SCPS-NP协议化ader字段的表项 RC的值转变为"true",判定中间节点路由发生变化，接收端通过ACK包将路由变化信息反 馈给发送端，即；将SCPS-TP协议的化ader字段的表项RCN设置为"true",在接收端发送 ACK包时，加入Timestamps,开始计时，当发送端接收到ACK包的，计时结束，记录的时间为 Back-Time;所述Timestamps为SCPS-NP协议中现有的时间戳，加入Timestamps时开始计 时；
[0026] (4)发送端接收到ACK包时，监测到SCPS-TP协议的化ader字段的表项RCN为 "true",则判定路由发生变化，则进入步骤巧）；
[0027] (5)设定M= 2XBack-Time，则；
[002引 RTTbadc=Min{M，RTT};
[0029] 其中，Min{M，RTT}是指M、RTT中的较小值；所述RTF是指某一时间段T内平均往 返时间；RTTba加是指基准RTT;
[0030] 当RTTba,k=M时，则判定引起RTT变化的主要原因是路由变化，则窗口不变。
[00川当RTTb,,k=RTT时，按照现有的Vegas机制进行处理。
[0032] RC即route-changed;
[0033] 此处设计的优势在于，只根据RTF无法判断路由扩增还是路由缩减，引入 Back-Time就可W实现该判断，并且，Back-Time可W反应网络的当前最新状况，使得改进 的Vegas机制更能准确发挥功能。
[0034] 根据本发明优选的，所述空间通信网络中，SCPS-NP协议化ader字段还增加化P Count字段，预设化PCount字段的初始值，所述化PCount字段的初始值大于空间通信网 络的发送端与接收端之间的最大节点个数，一个节点是指一个卫星；所述化PCount字段 表示网络中经过的跳数的个数，每经过一个节点，所述化PCoun