面向深空通信的LTP異步加速重傳策略

吳海濤 梁迎春

肇慶學(xué)院，廣東 526061

深空通信是深空探測(cè)活動(dòng)的重要保障手段之一。與陸地通信及衛(wèi)星通信相比，深空通信支撐的空間活動(dòng)更為復(fù)雜，遭受的干擾、損耗及衰減尤為多變，復(fù)雜多變的環(huán)境給深空通信帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)[1]。目前，提高載波頻率、降低噪聲溫度等常用的物理手段及傳輸技術(shù)已無(wú)法有效提升傳輸性能，難以滿足未來(lái)深空通信的傳輸需求[2]。為支撐未來(lái)的深空探測(cè)活動(dòng)，需采用網(wǎng)絡(luò)化傳輸，通過(guò)改進(jìn)協(xié)議傳輸機(jī)制來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

當(dāng)前，用于深空通信的3種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系為：空間IP協(xié)議體系、CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)協(xié)議體系及DTN(Delay /Disruption-Tolerant Network)協(xié)議體系[3]。空間IP協(xié)議體系主要用于近地段通信，無(wú)法適用于大時(shí)延、大衰減及鏈路斷續(xù)的深空環(huán)境。CCSDS協(xié)議體系包含一系列從物理層到應(yīng)用層的協(xié)議，其雖已得到成功應(yīng)用，但缺少路由算法，需根據(jù)不同場(chǎng)景人工配置相應(yīng)協(xié)議。DTN協(xié)議體系克服了深空通信中長(zhǎng)時(shí)延、斷續(xù)連接等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的互連、互操作及數(shù)據(jù)可靠傳輸[4]。

如今，DTN協(xié)議體系架構(gòu)雖已確立，但僅包含BP(Bundle Protocol)、LTP(Licklider Transmission Protocol)少數(shù)協(xié)議[5-6]，擁塞控制、路由、同步及安全等有關(guān)協(xié)議還在研究制定中。BP協(xié)議是DTN協(xié)議體系的核心，采用保管傳輸確保了端到端可靠性。LTP協(xié)議是DTN協(xié)議體系中的另一重要協(xié)議，是專為深空極長(zhǎng)鏈路設(shè)計(jì)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸協(xié)議，可提供基于重傳的可靠服務(wù)。作為BP層的一種匯聚協(xié)議，LTP繼承并發(fā)揚(yáng)了CFDP(CCSDS File Delivery Protocol)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)會(huì)話(Session)以數(shù)據(jù)塊(Block)形式進(jìn)行傳輸，不僅能提供類似TCP的可靠服務(wù)，還可實(shí)現(xiàn)猶如UDP的不可靠服務(wù)。

目前，對(duì)LTP協(xié)議的性能分析及改進(jìn)方面取得了一些研究成果。文獻(xiàn)[7-8]在上下行鏈路非對(duì)稱地月場(chǎng)景中，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)對(duì)比分析了LTP、TCP及UDP等匯聚層協(xié)議的性能。文獻(xiàn)[9-10]將編碼引入LTP協(xié)議，分別與Reed-Solomon碼、噴泉碼聯(lián)合設(shè)計(jì)新的傳輸協(xié)議，并對(duì)文件傳遞時(shí)間、吞吐量等做了性能分析。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)LTP協(xié)議傳遞時(shí)延建模，在地火中繼場(chǎng)景中仿真了會(huì)話傳遞時(shí)延等性能。文獻(xiàn)[13-14]通過(guò)BP/LTP跨層聯(lián)合優(yōu)化，給出了數(shù)據(jù)單元的優(yōu)化方案及發(fā)送算法。

可見(jiàn)，雖然上述研究取得了一些有價(jià)值的結(jié)果或結(jié)論，但是缺乏對(duì)LTP會(huì)話模型的理論驗(yàn)證，未見(jiàn)對(duì)其重傳機(jī)制的優(yōu)化分析。

目前，作者對(duì)CFDP協(xié)議做了較為深入的研究，提出了一種改進(jìn)策略，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證[15-17]；并對(duì)LTP單會(huì)話傳輸時(shí)延做了理論分析，給出了異步觸發(fā)加速重傳的初步想法[18]，設(shè)計(jì)了一種多會(huì)話數(shù)據(jù)聚合傳輸策略。本文在前期研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)LTP單會(huì)話傳輸時(shí)延建模并仿真驗(yàn)證，通過(guò)優(yōu)化重傳機(jī)制，提出一種改進(jìn)的異步加速重傳策略，并仿真驗(yàn)證了其傳輸性能。

1 LTP會(huì)話過(guò)程建模及仿真驗(yàn)證

以一個(gè)會(huì)話為例描述數(shù)據(jù)塊的傳輸過(guò)程。首先，LTP根據(jù)鏈路層的最大傳輸單元大小，將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊分割成一定數(shù)量的數(shù)據(jù)段(Segments)。一般地，分割后的數(shù)據(jù)段包含可靠傳輸?shù)募t數(shù)據(jù)段與不可靠傳輸?shù)木G數(shù)據(jù)段。有時(shí)按照傳輸需求，會(huì)話數(shù)據(jù)塊也可僅含紅數(shù)據(jù)或綠數(shù)據(jù)。然后，按照紅數(shù)據(jù)在前、綠數(shù)據(jù)在后的順序依次發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，最后一個(gè)紅數(shù)據(jù)段被標(biāo)記為EORP(End of Red-Part)，表示紅數(shù)據(jù)傳輸完畢，并將其視為檢查點(diǎn)(CheckPoint, CP)，接收端一旦收到EORP須立刻回復(fù)一個(gè)接收?qǐng)?bào)告(Report Segment, RS)。同時(shí)，發(fā)送端在發(fā)出EROP后，隨之啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，以供定時(shí)器超時(shí)情況下的EORP自動(dòng)重傳。數(shù)據(jù)塊中的最后一個(gè)數(shù)據(jù)段被標(biāo)記為EOB(End of Block)，表示會(huì)話數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

在會(huì)話過(guò)程中，假如未發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失，接收端在收到EORP后立刻回復(fù)RS，并啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，以備發(fā)送端無(wú)應(yīng)答時(shí)自動(dòng)重傳RS。當(dāng)收到RS后，發(fā)送端關(guān)閉EORP定時(shí)器，并回復(fù)一個(gè)應(yīng)答報(bào)告(Report-Acknowledgment segment, RA)。接收端收到RA隨即關(guān)閉RS定時(shí)器，結(jié)束會(huì)話。如果會(huì)話中有除EORP外的紅數(shù)據(jù)丟失，就會(huì)觸發(fā)重傳過(guò)程。發(fā)送端根據(jù)收到的接收?qǐng)?bào)告，回復(fù)RA并重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)段，最后一個(gè)重傳數(shù)據(jù)段也被標(biāo)記為CP。在收到RA后，接收端關(guān)閉RS定時(shí)器。接收端收到CP后，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的接收情況，如果仍有數(shù)據(jù)未收到，需重復(fù)上述重傳過(guò)程，直至所有數(shù)據(jù)被成功接收，會(huì)話結(jié)束。

下面對(duì)LTP會(huì)話過(guò)程建模，分析文件傳輸時(shí)間，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

為了理論分析方便，將傳輸信道視為AWGN(Additive White Gaussian Noise)信道并假設(shè)如下：

1)鏈路是全雙工的；

2)所有的紅數(shù)據(jù)段和綠數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度相等；

3)每一segment出現(xiàn)的錯(cuò)誤概率相同(除EORP/CP)；

4)鏈路中發(fā)生的錯(cuò)誤事件是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的；

5)忽略RS和RA的傳輸時(shí)間；

6)EORP、CP、RS及RA錯(cuò)誤概率為0。

文中記號(hào)規(guī)定見(jiàn)表1。

表1 符號(hào)定義

定義文件傳輸時(shí)間為從會(huì)話數(shù)據(jù)的第1比特開(kāi)始，直到所有紅數(shù)據(jù)段成功到達(dá)接收端的時(shí)刻，如圖1所示。整個(gè)文件傳輸時(shí)間分為2個(gè)階段：初次發(fā)送階段和重傳階段，不包含收發(fā)兩端最后的RS-RA確認(rèn)過(guò)程。這里，Tprop為單向傳播時(shí)延，TR和TG分別表示紅、綠數(shù)據(jù)段的發(fā)送時(shí)間。

易知，初次發(fā)送階段所用時(shí)間為Tprop+TR+Tmar，注意表1中的Tmar設(shè)置，根據(jù)RFC5325中的有關(guān)建議，需用一個(gè)裕量來(lái)綜合考慮處理、排隊(duì)等因素，Tmar通常被默認(rèn)設(shè)置為2s。

重點(diǎn)考慮重傳階段，定義隨機(jī)變量Si為第i個(gè)紅數(shù)據(jù)段直到初次被成功接收所需的重傳次數(shù)。在上述信道假設(shè)條件下，Si具有幾何分布特性，并且它總是非負(fù)的，因?yàn)樵诮?jīng)過(guò)初次發(fā)送階段后，已有部分紅數(shù)據(jù)段可能成功到達(dá)接收端。重傳一直重復(fù)到所有紅數(shù)據(jù)段被成功接收，定義隨機(jī)變量SM=max(S1,S2,…,SNR)，表示直至所有紅數(shù)據(jù)段成功被接收端接收所需的重傳次數(shù)。

如圖1所示情形，當(dāng)接收端回復(fù)的RS到達(dá)發(fā)送端時(shí)，綠數(shù)據(jù)已全部發(fā)送完畢。發(fā)送端回復(fù)RA后，可立刻傳輸需要重傳的紅數(shù)據(jù)段。如果RS到達(dá)發(fā)送端時(shí)，綠數(shù)據(jù)仍未發(fā)送完畢，由于紅數(shù)據(jù)相對(duì)于綠數(shù)據(jù)而言并無(wú)更高優(yōu)先級(jí)，那么重傳的紅數(shù)據(jù)只能排隊(duì)于綠數(shù)據(jù)之后。基于以上分析，第1個(gè)重傳回合所需時(shí)間為：

圖1 LTP會(huì)話傳輸過(guò)程

TR1=T1+RT1+2Tmar

(1)

其中，

(2)

易知，在一次會(huì)話中傳輸整個(gè)數(shù)據(jù)塊所需時(shí)間為：

(3)

式中,后2項(xiàng)之和為整個(gè)重傳階段所需的時(shí)間，其期望值為：

(4)

式(4)中，

(5)

(6)

基于以上分析，一次會(huì)話中文件傳輸時(shí)間的期望值為：

當(dāng)TG≤2Tprop時(shí)，

(7)

當(dāng)TG>2Tprop時(shí)，

(8)

進(jìn)一步化簡(jiǎn)式(7)和(8)可得：

當(dāng)TG≤2Tprop時(shí)，

(9)

當(dāng)TG>2Tprop時(shí)，

(10)

其中，

(11)

結(jié)合以上理論分析，利用Matlab工具對(duì)LTP會(huì)話的平均文件傳輸時(shí)間進(jìn)行了隨機(jī)仿真驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 隨機(jī)仿真與數(shù)值分析對(duì)比

可以看出，不管在地月還是地火場(chǎng)景中，隨機(jī)仿真結(jié)果與數(shù)值分析曲線都非常吻合，仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置Block大小為20MB，數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為2KB，紅數(shù)據(jù)所占比例為0.5，數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mbit/s，蒙特卡洛仿真次數(shù)為100。

2 LTP異步加速重傳策略及數(shù)學(xué)分析

深空通信環(huán)境下，極長(zhǎng)時(shí)延、鏈路斷續(xù)、高誤碼率及節(jié)點(diǎn)稀疏等特點(diǎn)決定了鏈路資源非常珍貴。在LTP會(huì)話中，只有收到紅數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束(EORP)才啟動(dòng)重傳的傳輸機(jī)制，極大浪費(fèi)了可用傳輸鏈路，嚴(yán)重制約著數(shù)據(jù)傳輸效率。因此，須考慮加速啟動(dòng)重傳，提高鏈路利用率，提升數(shù)據(jù)傳輸效率。

2.1 LTP異步加速重傳策略

為提高LTP會(huì)話的數(shù)據(jù)傳輸效率，可取的解決方案是在EORP發(fā)出之前觸發(fā)重傳，以便丟失的數(shù)據(jù)及早恢復(fù)。其一，發(fā)送端將EORP之前的任一紅數(shù)據(jù)段額外地標(biāo)記為CP；其二，接收端在紅數(shù)據(jù)初次接收過(guò)程中異步產(chǎn)生RS。2種方法中的CP及RS都是由收發(fā)兩端自由設(shè)定的。前者是由發(fā)送端“善意”提醒而發(fā)起的，類似于CFDP提示型模式；后者是由接收端根據(jù)接收情況主動(dòng)或受到外部事件而觸發(fā)的，類似于CFDP異步型模式。文中選擇后者，并將其命名為異步加速重傳策略。注意，接收端在紅數(shù)據(jù)初次接收階段內(nèi)的觸發(fā)時(shí)刻及觸發(fā)頻次，以及對(duì)重傳數(shù)據(jù)的處理方式等都會(huì)影響異步加速重傳的性能。

一般地，深空通信中的往返傳輸時(shí)延遠(yuǎn)大于一個(gè)會(huì)話時(shí)間，也即當(dāng)RS到達(dá)發(fā)送端時(shí)，會(huì)話數(shù)據(jù)已傳輸完畢，如圖3所示。為方便起見(jiàn)，假設(shè)在紅數(shù)據(jù)初次發(fā)送階段，接收端僅異步觸發(fā)重傳1次，且對(duì)于異步重傳的數(shù)據(jù)仍按LTP協(xié)議規(guī)定的常規(guī)方式處理。

圖3 異步加速重傳過(guò)程

2.2 數(shù)學(xué)分析

下面分析異步加速重傳過(guò)程，推導(dǎo)異步加速重傳時(shí)的平均文件傳輸時(shí)間。

由圖3可見(jiàn)，在紅數(shù)據(jù)初次發(fā)送過(guò)程中，當(dāng)傳輸?shù)溅谩R個(gè)紅數(shù)據(jù)段時(shí)異步觸發(fā)，γ表示異步觸發(fā)點(diǎn)的位置，滿足γ∈[0,1]。當(dāng)異步產(chǎn)生的RS到達(dá)發(fā)送端時(shí)，綠數(shù)據(jù)早已發(fā)送完成，也即滿足(1-γ)·TR+TG≤2Tprop。發(fā)送端在回復(fù)RA后，根據(jù)收到的RS立刻組織重傳。依據(jù)鏈路的丟包情況，接收端在收到EORP前，已收到(1-Pef)·γ·NR個(gè)紅數(shù)據(jù)段。接收端在收到EORP并進(jìn)入重傳階段時(shí)，因異步重傳數(shù)據(jù)仍未到達(dá)接收端，僅需對(duì)異步觸發(fā)剩余的(1-γ)·NR個(gè)初次發(fā)送的紅數(shù)據(jù)段，及Pef·γ·NR個(gè)需異步重傳的紅數(shù)據(jù)段進(jìn)行丟包統(tǒng)計(jì)，即共需統(tǒng)計(jì)[1-(1-Pef)·γ]·NR個(gè)紅數(shù)據(jù)段的接收情況。基于以上分析，一個(gè)會(huì)話數(shù)據(jù)塊的傳輸時(shí)間為：

(12)

(13)

可知，存在如下關(guān)系：

(14)

(15)

這里，

(16)

可得，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊所需時(shí)間的期望值：

當(dāng)RTR≤(1-γ)TR時(shí)，

(17)

當(dāng)RTR>(1-γ)TR時(shí)，

(18)

3 典型場(chǎng)景下的仿真對(duì)比

下面結(jié)合上述數(shù)學(xué)分析過(guò)程，利用Matlab工具仿真對(duì)比分析異步加速重傳策略的性能，仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2，仿真結(jié)果如圖4和5所示。

表2 仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

仿真中，紅數(shù)據(jù)比例τ設(shè)置為0.5，下行數(shù)據(jù)傳輸速率仍為2Mbit/s。圖4仿真了在地月、地火場(chǎng)景中，平均文件傳輸時(shí)間隨Segment錯(cuò)誤概率、數(shù)據(jù)段數(shù)目及異步觸發(fā)點(diǎn)等不同條件下的變化情況?？梢?jiàn)，采用異步加速重傳策略完成一個(gè)會(huì)話的平均文件傳輸時(shí)間，相對(duì)于LTP協(xié)議建議的傳輸時(shí)間，會(huì)隨著異步觸發(fā)點(diǎn)的右移而不斷減小。

由仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)異步觸發(fā)點(diǎn)為0.2時(shí)，異步加速重傳策略性能與LTP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相差無(wú)幾，這主要是因?yàn)榻邮斩诵枰崆爸貍鞯募t數(shù)據(jù)量少，所以為了圖4清晰，將異步觸發(fā)點(diǎn)為0.2時(shí)的傳輸曲線近似為L(zhǎng)TP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的傳輸曲線。

圖4 不同異步觸發(fā)點(diǎn)處的傳輸性能

可見(jiàn)，隨著異步觸發(fā)點(diǎn)不斷后移，異步加速重傳策略性能逐漸凸顯。特別地，當(dāng)異步觸發(fā)點(diǎn)后移到0.8時(shí)，采用異步加速重傳策略完成一個(gè)會(huì)話傳輸，在地月場(chǎng)景中比LTP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議可節(jié)省2.5～5s的傳輸時(shí)間，而在地火場(chǎng)景中可減少1.5～3.8個(gè)天文單位a.u.(astronomical unit，1a.u.=480s)的傳輸時(shí)間。

圖5仿真了在不同Segment錯(cuò)誤概率情況下，在地月、地火場(chǎng)景中，采用異步加速重傳策略帶來(lái)的性能提升。這里，性能提升指采用異步加速重傳策略后平均文件傳輸時(shí)間的減少量，即：

(19)

圖5 不同錯(cuò)誤概率情況下的傳輸性能

由圖5可知，異步加速重傳策略帶來(lái)的性能提升，不但會(huì)隨異步觸發(fā)點(diǎn)的右移而逐漸變大，而且會(huì)隨Segment錯(cuò)誤概率的增大而升高。當(dāng)Segment錯(cuò)誤概率為0.5時(shí)，因?yàn)橹貍骰睾蠑?shù)與單向傳播時(shí)延統(tǒng)治了文件傳輸時(shí)間，其變化幾乎趨于線性。特別地，當(dāng)異步觸發(fā)點(diǎn)位于紅數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，采用改進(jìn)策略完成一個(gè)會(huì)話，在地月、地火場(chǎng)景中帶來(lái)的性能提升分別可達(dá)6.7s和5個(gè)天文單位。

4 結(jié)論

未來(lái)深空通信中業(yè)務(wù)類型的多樣化、科學(xué)數(shù)據(jù)的海量化及數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，對(duì)深空環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求。本文通過(guò)改進(jìn)LTP協(xié)議的傳輸機(jī)制，提出一種面向未來(lái)深空通信的LTP異步加速重傳策略，縮短了會(huì)話時(shí)間，提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，可為我國(guó)航天任務(wù)中的深空文件傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)提供參考。下一步將結(jié)合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間受限等情況，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中異步觸發(fā)點(diǎn)的位置，對(duì)深空環(huán)境下的LTP異步加速重傳策略進(jìn)行更深入的研究。