一种基于LT码的空间DTN传输方法与流程

本发明涉及一种基于LT码的空间DTN传输方法。

背景技术：
随着人类对太空探索的不断深入，空间通信网络呈现出与地面通信网络截然不同的特点，具有长时延、高误码、链路上下行非对称与间歇断续等特征，属于典型的“受限网络”环境。近些年来，容迟/断网(Delay/DisruptionTolerantNetwork，DTN)凭借存储转发与保管传输等机制，为解决空间网络的数据传输问题提供了良好的机遇，也因此成为未来星际互联网的主要解决方案之一。空间DTN搭建在传统空间通信协议栈的网络层之上，通过在应用层与传输层之间加入一个覆盖层-包裹层(BundleProtocolLayer)，实现在异构网络之间的互联互通与互操作。文件以包裹的形式在空间DTN节点间逐跳传递，每个DTN节点对包裹数据进行保管传输，直到到达空间DTN的目的节点，实现端到端的可靠传输。为了确保空间DTN的包裹在逐跳之间的可靠传递，空间DTN采用了基于自动重传请求(AutomaticRetransmissionreQuest，ARQ)机制的传输层对包裹层的数据束(Bundle)进行多次反馈重传，保障数据束成功传送至下一跳节点。当前，空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的容延迟网络研究组(Delay-TolerantNetworkingResearchGroup，DTNRG)已经提出了关于空间DTN网络中的包裹层BP协议(BundleProtocol)和传输层LTP协议(LickliderTransmissionProtocol)标准建议，进一步巩固和明确了DTN结构体系在未来空间通信中的重要地位。为了保障包裹层数据束在空间网络环境下的可靠传输，近些年来面向空间DTN的传输协议引起了广泛重视，并研究了很多新兴的DTN网络协议，如：LTP-T：通过对LTP协议进行改进，设计了多跳链路下的传输层协议DSTP：双倍重传协议，主要目的是为了抵抗空间路径衰减造成的高丢包率，但由于数据包的重复发送造成了较大的冗余开销，影响了文件传输的有效性，可扩展性不强。DTTP：在DSTP的基础上设计，该协议具有BP协议对文件进行拆分和路由选择功能，不同的文件块可以选择不同路径，实现文件的并行传输，针对数据包长度与传输性能的约束关系，设计了自适应调整数据包长度的协议操作机制。上述传输协议大多采用ARQ机制，在丢包率较高的链路上会造成频繁反馈，严重增加数据传输时延，降低链路的传输效率，无法满足远距离空间通信的数据传输需求。当前有部分研究结合了前向分组纠删技术，设计空间网络的传输协议，以降低协议数据单元的丢失概率，减少反馈重传的次数，提高链路的传输效率，如：RS-CFDP、LDPC-CFDP：结合前向纠删码的改进CFDP(CCSDSFileDeliveryProtocol)协议。

技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于LT码的空间DTN传输方法，包括以下步骤：步骤A、将源文件拆分成多个数据束，并将数据束拆分生成编码片段；步骤B、将数据束以块作为会话单位进行会话传输，发送端发送编码片段，接收端接收编码片段并进行译码回复生成数据片段，并对没有恢复成功的数据片段进行重传；步骤C、重复以上步骤，直到发送端确认接收端已成功恢复数据束；步骤D、进行下一次会话传输。进一步的，所述步骤A中进一步包括以下步骤：将源文件拆分成多个数据束；每个数据束封装为一个块；将每个块进一步拆分为多个数据片段；按照选取的编码度分布随机抽取多个数据片段进行逐位异或以生成编码片段。进一步的，所述步骤B中采用多个会话并行传输，将数据束以块作为会话单位进行会话传输，发送端依据信道条件设定编码码率发送编码片段，并在每个块后加入EORP分组，用来提示接收端对已接收的编码片段进行校验，接收端在收到EORP后，根据编码片段帧头内的交织信息进行译码恢复，之后向发送端反馈报告确认片段分组，确认已成功接收的数据片段，并对没有恢复成功的数据片段进行重传；进一步的，所述步骤A中，编码二部图中的边信息被存入编码片段帧头部分的扩展位中。进一步的，所述基于LT码的空间DTN传输方法还包括以下步骤：对数据束传输需要的冗余数据量、数据束传输时延、传输过程中的存储空间占用量进行评估。进一步的，所述评估步骤中对数据束传输需要的冗余数据量的评估满足以下公式，给定信道丢包率为P，一个Bundle拆分的DS数量为n，则RCLTP协议，一个Bundle所需的传输次数期望值为：单个Bundle的冗余数据量为：若假设发送Bundle的数量为N，传输链路分为J跳，端到端文件传输过程中RCLTP协议的冗余数据量为：其中j＝1，2，...，J；其中δ和Δ的物理意义为：在接收端采用BP译码，以1-δ的概率成功恢复n个DS，以δ的概率恢复(1-Δ)n个的DS。进一步的，所述数据束传输时延满足以下公式，给定：第j段链路的单程传播时延为Tj-prop，单位bit的编、译码时延为tenc和tdec，信道带宽为Wj，各链路的反馈信道带宽统一为Wf，N个Bundle/Block在丢包率为Pj、传播时延为Tj-prop的信道上仅考虑由反馈重传所引起的平均传输时延为：给定：第j段链路中收发两端在一个周期时间内的可连接时间长度为Cj，中断时间长度为Uj，则可见时间周期即为Cj+Uj，若该段链路的文件传输传输时延为Tj，当Tj大于Cj时，Bundle的传输过程会发生间歇性中断，需要等待下一个可见时间继续传输，则该段的传输时延T’j为：计算RCLTP协议完成文件可靠传输所需的总传输时延为其中j＝1，2，...，J。进一步的，所述节点存储空间占用量满足以下公式，其中tb表示第一个Bundle存入节点m存储器的时刻，te表示m节点已将存储器内所有Bundle清空的时刻，B(t)为t时刻节点m存储器内的Bundle数量。相较于现有技术，本发明的基于LT码的空间DTN传输方法针对空间DTN节点间传输时延较大的问题，提出了以无码率LT码与ARQ机制相结合，可以在保证空间DTN数据束可靠传输的条件下，减少重传次数，明显提升链路的传输效率。对RCLTP协议的体系结构、数据格式以及编码交织传输过程进行了详细设计，并给出了三个分析指标。根据所设定的空间网络拓扑和通信场景，对传输性能进行了实验分析。实验结果表明，相比于传统的LTP协议，本发明传输方法在本文所设定的地-火通信场景下，具有较小的传输时延和较高的吞吐量，并在文件传输过程中明显减少了节点存储空间的占用量。附图说明图1是本发明的基于LT码的空间DTN传输方法的DTN体系结构中的RCLTP协议示意图。图2是本发明的基于LT码的空间DTN传输方法的数据单元的拆分与封装过程示意图。图3是本发明的基于LT码的空间DTN传输方法的编码片段的数据格式。图4是本发明的基于LT码的空间DTN传输方法的传输过程示意图。图5是本发明的基于LT码的空间DTN传输方法的火星-地球通信场景的网络拓扑模型示意图。图6是本发明的基于LT码的空间DTN传输方法的可连接时间示意图。图7是本发明的基于LT码的空间DTN传输方法的LTP协议与RCLTP协议的点对点吞吐量对比示意图。图8是本发明的基于LT码的空间DTN传输方法的文件传输时延对比示意图。图9是本发明的基于LT码的空间DTN传输方法的传输过程中B、C、D中继星的存储空间占用量变化示意图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。请参阅图1及图2，本发明提供了一种基于LT码的空间DTN传输方法。本发明的基于LT码的空间DTN传输方法基于一种基于无码率编码的新型传输协议(RatelessCodingbasedLTP，RCLTP，以下简称RCLTP协议)。RCLTP协议位于包裹层与网络层之间，属于传输层协议，在DTN协议栈体系结构中的位置如图1所示。本发明基于LT码的空间DTN传输方法包括以下步骤：步骤A、如图1所示，将源文件拆分成多个Bundle(数据束)，并将数据束拆分生成ES(编码片段，EncodedSegment，ES)。应用数据从信源(Source)传输至目的(Destination)，首先经过包裹层协议打包成数据束(Bundle)，再通过传输层RCLTP协议进行数据片段打包。之后通过网络层、链路层及物理信道进行点对点可靠传输。包裹层在各节点具有保管传输(CustodyTransfer)功能，并可以根据可见时间选择路径。RCLTP协议负责协议数据单元的纠错、编译码及重传。根据装载内容的不同，本发明RCLTP协议中的协议数据片段一般可分为5种类型：数据片段(DataSegment，DS)、编码片段(EncodedSegment，ES)、报告片段(ReportSegment，RS)、报告确认片段(Report-AcknowledgementSegment，RA)和会话管理片段(SessionManagementSegment，SM)。如图2所示，编码片段ES的形成过程包括以下步骤：首先，源文件被拆分成若干个Bundle(数据束)，每个Bundle在RCLTP协议中封装成一个块(Block)，并又被拆分为若干个DS(数据片段，DataSegment)；然后，编码器按照选取的编码度分布随机抽取若干个DS(数据片段，DataSegment)进行逐位异或，生成ES发送。编码二部图中的边信息(Edgeinformation)被存入ES帧头部分的扩展位中，RCLTP中ES的帧格式如图3所示。步骤B、将Bundle以Block作为会话单位进行会话传输，发送端发送ES，接收端接收ES并进行译码回复生成DS，并对没有恢复成功的DS进行重传；在本发明中，RCLTP将包裹层的Bundle分为多次会话传输，以Block作为会话单位。如图4所示，RCLTP协议在发送端(Sender)依据信道条件设定编码码率，发送一定数量的ES，并在每个Block后加入EORP分组(EORP，EndofRedPart，红色片段结束)，用来提示接收端(Receiver)对已接收的ES进行校验。接收端在收到EORP后，根据ES帧头内的交织信息进行译码恢复生成DS，之后向发送端反馈RS分组，确认已成功接收的DS，并对没有恢复成功的DS进行重传。步骤C、重复上述过程，直到发送端确认接收端已成功恢复Bundle/Block，再进行下一次会话传输。为了充分利用信道带宽与节点的存储空间，减少等待时间，RCLTP协议允许根据链路可见时间和信道容量采用多个会话并行传输的模式。本发明的基于LT码的空间DTN传输方法还设有性能验证评估步骤。面向空间DTN的RCLTP协议所关注的性能指标主要有：数据束传输需要的冗余数据量，数据束传输时延，传输过程导致的节点存储空间占用量等。RCLTP由于对Block内的DS进行交织编码传输，对未恢复的DS再采用ARQ机制重复传输，减少了单个Bundle的反馈重传次数。给定信道丢包率为P，一个Bundle拆分的DS数量为n，则RCLTP协议，一个Bundle所需的传输次数期望值为其中δ和Δ的物理意义为：在接收端采用BP译码，以1-δ的概率成功恢复n个DS，以δ的概率恢复(1-Δ)n个的DS。本文所考虑的冗余数据量、文件传输时延、存储空间占用量等三项性能指标均与(1)式中Bundle的传输次数期望有着直接关系，接下来逐一进行分析。(1)冗余数据量(OverheadDataSize，ODS)定义为完成文件单跳链路上可靠传输，发送端需传输的总数据量与文件所包含数据量的差值。ODS＝总传输数据大小-文件数据量，(2)冗余数据量的产生有两方面原因：首先是在文件传输过程中数据片段的帧头开销；另外是ARQ反馈与重传造成的数据开销。RCLTP协议，单个Bundle的冗余数据量为若假设发送Bundle的数量为N，传输链路分为J跳，端到端文件传输过程中RCLTP协议的冗余数据量为其中j＝1，2，...，J。(2)文件传输时间(FileDeliveryDelay，FDD)定义为从发送端发送第一个DS的时刻开始，经过若干中间节点转发，直到接收端完全恢复所有Bundle/Block为止所需要经历的时间，主要包括：传播时延、中断时延、发送时延及编译码时延等。给定：第j段链路的单程传播时延为Tj-prop，单位bit的编、译码时延为tenc和tdec，信道带宽为Wj，各链路的反馈信道带宽统一为Wf，则采用RCLTP协议，N个Bundle/Block在丢包率为Pj、传播时延为Tj-prop的信道上仅考虑由反馈重传所引起的平均传输时延为：由于空间DTN的传输过程不可避免的会受到由于天体运行造成的周期性链路中断影响，给定：第j段链路中收发两端在一个周期时间内的可连接时间长度为Cj，中断时间长度为Uj，则可见时间周期即为Cj+Uj，若该段链路的文件传输传输时延为Tj(即Tj-LTP或Tj-RC)，当Tj大于Cj时，Bundle的传输过程会发生间歇性中断，需要等待下一个可见时间继续传输，则该段的传输时延T’j为：计算RCLTP协议完成文件可靠传输所需的总传输时延为其中j＝1，2，...，J。(3)节点存储空间占用量(BufferOccupancyArea，BOA)定义为在文件传输过程中某一节点永久存储器内的数据量和占用永久存储器时间的积分和。其中tb表示第一个Bundle存入节点m存储器的时刻，te表示m节点已将存储器内所有Bundle清空的时刻，B(t)为t时刻节点m存储器内的Bundle数量。空间DTN节点之间对于Bundle采用的是保管传输，也即：当前节点对于成功收到的Bundle要反馈RS以示确认，上一跳节点成功接收到RS后，才能清空自身存储器中的Bundle。上述过程导致上一跳节点在存储器中清空Bundle的时间，相比于当前节点成功恢复该Bundle的时间，至少滞后一个单程传播时延Tj-prop，若考虑链路不可见造成无法及时反馈RS，则该滞后时延还要增加一个中断时间Uj。由于空间DTN的Bundle本身具有存活时间(TimeToLive，TTL)，如果在TTL时间内没有完成端到端的可靠传输，则该Bundle将“过期”，保管该Bundle的节点将该Bundle从永久性存储器中删除，造成数据丢失，严重影响系统性能。因此，根据中间节点存储器的使用情况，尽快将Bundle从中间节点的存储空间中释放，是避免Bundle过期的重要手段。BOA衡量了节点m的存储器在文件传输过程中被占用的情况，BOA较大表明该节点的数据流入速率要大于数据释放速率，容易产生拥塞，经过此节点的链路传输效率较低。此条件下，应增加节点的存储器容量，或者对经过此节点转发的Bundle延长其TTL；如果BOA较小，则说明该节点释放Bundle的速率较快，存储器不易产生拥塞，经过此节点的链路传输效率较高。仿真实验：1)场景设定及参数配置为验证RCLTP的性能。以火星-地球通信的下行链路为仿真场景，设定图5所示的空间DTN网络拓扑。其中，A为火星表面探测器(Lander或Rover)；B和C设定为火星轨道卫星，其轨道与欧洲宇航局开展的火星快车计划(MarsExpressMission)中的火星探测器轨道相同，与火星表面探测器可见时的通信距离约为4800km；D为距离地球表面约36000km的地球静止轨道卫星；E为深空站。火星表面探测器A采集的信息可以通过A-B-D-E和A-C-D-E两条路径向地面深空站进行传输，数据量大小、传播时延、信道带宽等参数如表1所示。节点间每一段链路的可见时间如图6所示，两火星轨道卫星B和C的公转周期为120分钟(min)，与探测器A和地球静止轨道卫星D的可见时间分别为10min和30min，地球静止轨道卫星D与地面站E保持全周期24小时可见。表1参数设置给定20MB的数据文件，空间DTN对应用数据文件封装成Bundle，并对这些Bundle以Block的形式通过节点间所建立的会话进行传输。传输过程从A节点对Bundle拆分、编码交织并封装成RCLTP协议数据单元ES进行传输，经过若干中间节点的译码恢复-存储-转发，直到目的地E节点接收到最后一个ES并可靠恢复20MB原始数据为止。分别选择A-B-D-E和A-C-D-E两条路径共同传输，每条路径均需要经过3跳传输才能将信息送至目的节点，其中，节点B、C及D都具有包裹层的保管传输及存储转发功能。2)协议的吞吐量以单跳链路上可靠传输文件为前提，比较两种传输协议的吞吐量指标，可分为发送吞吐量(Throughput)和有效吞吐量(Goodput)两种形式，分别表示单位时间内系统平均发送的数据量和有效传输的数据量。考虑到图6的网络拓扑中，路径损耗最大、传播时延最长的路径为B-D段和C-D段，对协议的传输效率影响也最为显著，本文选用这两条路径进行单跳链路上文件传输的仿真实验。给定传输文件量为10MB，两种协议在不同信道条件下的吞吐量变化如图7所示。可以看出，在相同信道状态下，RCLTP协议的吞吐量均高于LTP协议，并且LTP协议的吞吐量随信道丢包率及传播时延的增大而逐渐降低，但RCLTP协议则逐渐升高，表明RCLTP通过增加有限的冗余，有效抵抗了信道的丢包情况，减少重传次数；另一方面，RCLTP协议的有效吞吐量远高于LTP协议，表明RCLTP协议可以大幅度提高单跳链路的文件传输效率。3)文件传输时延分析目前空间DTN所采用ARQ机制的传输协议，在面向火星及更远距离的通信任务时，面临着反馈频繁，文件数据的传输时延较长等问题，本文基于数值计算方法给出了采用RCLTP协议的传输时延性能。根据图5的通信场景及表1的参数设定，图8(a)～(c)给出了火星表面探测器A传输20MB文件至地面深空站E所需的传输时延与不同链路状态的关系。可以看出，采用RCLTP协议，相比较于LTP协议，所消耗的文件传输时延有明显的减少，信道条件越差效果越明显。此外，由于B-D和C-D段路径的中断时延和传播时延均较大，而D-E路径的传播时延很小，因此D-E段的不同丢包率对文件传输总时延的影响较小。4)节点存储空间占用量给定B-D段和C-D段路径的传播时延为10min、信道丢包率P2＝0.2，D-E丢包率设为P3＝0.01，带宽、文件大小、DS长度等参数如表1所示。图9(a)(b)给出了LTP和RCLTP协议在文件传输过程中节点B、C、D的存储空间变化情况，BOA即该节点曲线与横轴所围成图形的面积。可以发现，由于受到链路间歇性中断、传播时延较大及信道丢包率较高等因素的影响，LTP协议传输的数据束，在节点B和C的存储器中停留的时间很长，产生堆积。节点B和C的存储器占用量分别为BOAB-LTP＝13.00×104，BOAC-LTP＝4.44×104(单位为Bundle)。如果节点的存储空间有限，会导致数据束TTL超时，在节点处易产生拥塞，造成数据束丢失，严重影响传输质量。相比之下，RCLTP传输的数据束在节点B和C存储器中的停留时间较小，占用量分别为BOAB-RC＝2.87×104，BOAC-RC＝2.16×104，节点可以尽快释放存储器内的数据束，避免拥塞，提高文件传输效率。在D节点，BOAD-LTP＝0.72×104略小于BOAD-RC＝0.74×104，原因是由于RCLTP协议增加了传输冗余数据量，增大了发送时延，同时节点D与地面深空站保持24小时可见，且单程传播时延很短，丢包率较低，可以尽快将数据转发至地面，因此发送时延对传输效率及拥塞问题的影响大于重传造成的时延影响。上述结果表明，RCLTP在空间DTN网络中，可以有效减小存储空间占用量，尤其在链路条件较差，传播时延较差的信道环境下，可以达到避免产生拥塞的目的。相较于现有技术，本发明的基于LT码的空间DTN传输方法针对空间DTN节点间传输时延较大的问题，提出了以无码率LT码与ARQ机制相结合的RCLTP协议，可以在保证空间DTN数据束可靠传输的条件下，减少重传次数，明显提升链路的传输效率。对RCLTP协议的体系结构、数据格式以及编码交织传输过程进行了详细设计，并给出了三个适用于RCLTP协议性能的分析指标。根据所设定的空间网络拓扑和通信场景，对RCLTP协议的性能进行了实验分析。实验结果表明，相比于传统的LTP协议，RCLTP在本文所设定的地-火通信场景下，具有较小的传输时延和较高的吞吐量，并在文件传输过程中明显减少了节点存储空间的占用量。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。