面向空間通信的DTN一體化傳輸性能約束研究

楊冠男，趙康僆，封濤，李嵩，劉金良

1. 南京財經大學 信息工程學院，南京 210023 2. 南京大學 電子科學與工程學院，南京 210046 3. 南京電子設備研究所，南京 210000

1 引言

空間通信已將科學研究、人類文化拓展到太空空間[1-2]，為深空探測、導航定位、遠洋勘探等應用提供必要的支撐與服務，是全球科學家的研究熱點[3]。隨著航空航天技術、衛星和載荷技術及面向物聯網的空間應用發展，空間通信在載人航天、深空探測、空間科學實驗等領域需求不斷提升，形成空、天、地互聯的異質異構綜合性復雜網絡。然而目前空間通信中，體系異構、協議多樣，各系統煙囪林立，缺乏協議架構統一融合。而著眼于未來空間通信的發展需求，一體化空間通信并非砍倒“煙囪”是必然趨勢，因此在多協議并存的條件下，兼容協同多種傳輸機制，在保障各專用空間系統之間可靠的互聯互通前提下，優化空間通信傳輸性能，是未來發展過程中較為緊迫的現實問題。

空間通信環境和鏈路特性不同于地面通信特性，存在以下影響和制約傳輸性能的顯著特征：①多種網絡結構共存，協議體系機制多樣化。②網絡拓撲動態時變，節點間歇性連接。由于節點不斷運動及自然環境因素影響，網絡拓撲結構時變，節點之間通信時斷時續，甚至導致鏈路中斷。③傳輸時空尺度大。與地面網絡相比，空間的傳輸路徑較遠，造成傳輸時延較長，帶寬延遲積較大。④誤碼率較高。空間通信的微波、激光鏈路等傳輸介質受環境的影響大，相比于地面網絡鏈路穩定性較差，傳輸誤碼率較高。⑤非對稱的下上行帶寬。空間節點到地面節點的下行速率高，而地面節點到空間節點的反向上行速率低[4]。以上特征對地面成熟的網絡技術提出巨大挑戰，甚至不能進行有效的數據傳輸，因此本文針對空間通信特性并著眼于空間通信一體化發展趨勢，研究基于DTN(delay tolerant networking)協議架構面向多協議機制兼容的一體化傳輸方法。

2016年6月，美國國家航空航天局(NASA)在國際空間站已進行了DTN網絡測試，結果表明DTN可為深空和火星探測任務提供可靠的通信服務，已被NASA以及噴氣動力學實驗室(JPL)作為權威推薦應用于美國空間通信網絡建設。2017年，DTN協議已成為國際空間站的標準。該協議也得到了互聯網之父Vint Cerf的認可和大力推廣，并在利用DTN協議構建外太空互聯網。這也意味著通過DTN可將互聯網擴展向整個太陽系，有效應對空間通信面臨的挑戰。DTN中的兩大關鍵技術BP(bundle protocol)協議和LTP(licklider transport protocol)協議受到了研究者的廣泛關注，并陸續進行標準化。在BP協議上，文獻[5]給出了BP用于深空通信的性能評估，以及托管傳輸機制和鏈路上下行高非對稱對傳輸性能的影響。文獻[6]對BP協議重傳機制進行優化，提升傳輸效率。文獻[7]中研究了空間通信中長鏈路中斷對BP協議的影響。對于DTN協議架構的另一個重要技術LTP協議，大部分研究關注與其可靠性的提升，如文獻[1]給出在LTP協議中加入網絡編碼，以增強傳輸的可靠性，提高傳輸效率，但在協議跨層包尺寸上仍然缺少優化模型指導。文獻[8]研究了在空間通信應用中，DTN協議跨層包優化設計，是目前針對DTN協議架構跨層包分析較為完備的文獻，但此研究僅基于單一的協議結構。文獻[9]中僅給出LTP跨層包尺寸分析，缺少真實數據流的測試驗證。本文詳細梳理目前空間通信主流協議體系特性及適用性，給出了DTN中關鍵技術LTP的處理機制和交互過程，針對LTP協議給出通用可行的跨層包尺寸優化模型，并利用半實物仿真平臺的真實數據流對協議性能制約性進行評估，為空間通信可靠傳輸方法提供依據。

2 空間通信協議體系簡析

現有用于空間通信的協議體系主要為TCP/IP、以SCPS(space communication protocol standard)協議為代表的CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)系列協議[10]和DTN協議，圖1給出了3種協議在OSI模型中的對比，各自的優缺點及目前主要應用場景如表1所示。

圖1 三種協議架構分層模型Fig.1 Layered models of three protocol architectures

表1 三種協議體系比較

地面互聯網目前廣泛應用的TCP/IP協議技術成熟，可移植性好。采用以TCP/IP為基礎的空間網絡協議一方面可以使空間網絡更好地與地面網絡實現互聯互通；另一方面可利用地面互聯網的成功經驗和技術縮短空間相關協議的開發周期和投入。但大量研究證明，由于空間通信傳輸條件和空間節點組網特殊性的影響和制約，不能直接將地面互聯網技術照搬至空間網絡天基系統[11]。

CCSDS的SCPS協議族是最早的實現空間系統組網的國際協議[12]。但其服務對象的范圍和數量受到設計之初通信水平的限制而具有一定的局限性，后期缺乏大范圍的推廣應用，使關鍵傳輸控制機制并未隨逐步得到優化和改進，導致其體系架構無法適應未來眾多節點的空間網絡海量通信需求，正逐漸退出歷史舞臺，CCSDS官網上已經對此進行了說明。

DTN[13]起源于面向深空通信與網絡的星際互聯網項目，是一種通用的面向消息的覆蓋層網絡體系結構，協議棧結構如圖1所示，且具備協議兼容及擴展能力，可加載多類已部署的網絡通信協議。具有應對于動態拓撲、長可變傳播延時及隨機中斷鏈路的功能和機制，非常適用于具有挑戰性的空間通信環境，尤其對于高誤碼率、大時空尺度下的間歇性連接[14-15]。DTN協議是目前空間覆蓋網絡中最成熟的關鍵技術，美國NASA以及噴氣動力學實驗室(JPL)將其推薦應用于美國空間通信網絡建設中。因此，采用覆蓋網絡的方法實現異構網絡的互聯互通，是滿足空間通信網絡協議架構需求較為可行的方法。

DTN中的BP協議具備托管傳輸、超時重傳和差錯編碼等機制對傳輸的可靠性提供保障，并通過匯聚層適配器(如圖1中LTPCL、UDPCL、TCPCL)可兼容多種傳輸機制，保障不同通信環境的通信需求，匯聚層通常適配的協議為LTP、UDP及TCP。其中，TCP適配[16]其傳輸層采用TCP協議，需要建立連接，采用雙工的通信方式，可在DTN端點間提供可靠傳輸，具有流量控制和擁塞控制機制，將BP層的處理單元束(bundle)分片傳輸。UDP適配[17]不保障傳輸可靠性，沒有擁塞控制機制，要求覆蓋層的束尺寸不能大于UDP最大數據報長度64Kbyte，即沒有分片機制，UDP適配主要用于單播和廣播。相比而言，源于星際鏈路的傳輸協議LTP[18]，可以直接應用于鏈路層之上，提供可選的可靠和非可靠傳輸服務，可應對具有較大帶寬延遲積的通信環境，在長延遲、可變長中斷的通信環境中無丟失的傳輸，不需要依靠穩定的通信往返時延，但相比于TCP，LTP缺乏成熟的流量和擁塞控制。因此，本文針對空間通信的鏈路特性，重點研究具備可靠傳輸機制的LTP、TCP適配以及二者組合的傳輸性能，以及應對空間惡劣通信環境的能力。

3 LTP塊尺寸優化

3.1 LTP協議機制

LTP的數據交互過程如圖2所示，其中 “紅色部分”通過確認和重傳保障可靠傳輸，其后的 “綠色部分”不保障傳輸的可靠性，即LTP協議對紅色數據采用可靠傳輸，而對綠色數據采用不可靠傳輸。因此，實際應用中若需要保證整個數據塊的可靠傳輸，將綠色部分長度設為0。同樣，也可將整個數據塊均設為綠色數據。圖2中，紅色部分的結束通過其最后一個片段EORP(end of red part)標識，此片段同時也作為檢驗點CP(checkpoint)，用于指示接收端反饋數據塊的接收情況，整個數據塊的結束采用EOB(end of block)標識。在交互過程中，接收端收到校驗點CP時，立即回復確認報告RS(report segment)告知發送端紅色數據的接收情況，且一個RS對應一個CP。發送端收到RS后，便即刻回復確認報告RA(report acknowledgment)。值得注意的是，為確保可靠性通信雙方在發出CP或回復RS時，均會啟動各自的本地重傳計時器，以便于在計時器限制內未收到相應確認時，進行自動重傳。

圖2 LTP數據傳輸交互過程[19]Fig.2 LTP data transmission interaction process

在跨層交互上如圖3所示，LTP將BP的服務數據單元bundle封裝為LTP數據塊(block)，默認一個bundle封裝為一個block。由于LTP機制中紅色數據的確認是通過對block的確認，即一個block一個確認。也有研究表明，可將多個bundle匯聚在一個block中，以限制確認數量，減小非對稱的鏈路中上行數據壓力。每個block的交付過程稱之為一個會話(session)，每個會話相當于一個輸出隊列，僅當隊列中前面所有的block均正確交付后，才能發送會話中當前的block。LTP再依據數據鏈路層最大傳輸單元(MTU)將每個block分割為若干個LTP數據段(segment)，通過鏈路層將其封裝為數據幀進行傳輸。

圖3 LTP傳輸協議的匯聚與塊分段Fig.3 Aggregation and block segmentation of LTP transmission protocol

3.2 LTP的塊尺寸優化數學模型

由上述LTP機制可見，block尺寸決定了一個會話每次發送的數據量，雖然block越大，鏈路帶寬利用率越高，反向確認越少有益于減少反向鏈路壓力。但是在高誤碼率及存在隨機中斷的鏈路中，較大block正確交付概率較低，除了導致多次重傳之外，增大了block在輸出隊列中的排隊時延，增加服務數據的正確交付時延，尤其在往返時延較大的空間通信場景中更為凸顯。而block尺寸越小，增加了確認信息數量，也降低了鏈路帶寬利用率，影響交付效率。因此，在block尺寸對協議傳輸性能有著重要影響，雖然BP和LTP協議已經進行標準化，但對協議跨層包尺寸缺乏理論說明。本小節將對LTP協議的block塊匯聚尺寸進行建模研究，并指導后續傳輸性能分析。依據美國國家航空航天局JPL開發的Interplanetary Overlay Network(ION)3.6.0中關于LTP配置建議，LTP協議的塊尺寸選擇具體建模如下，模型中符號的定義如表2所示。

表2 符號定義

如圖3所示，為避免擁塞，發送端與接收端之間所建立的最大會話數，應取決于之間正在傳輸的最大數據量和預計輸出的block長度，即：

(1)

式中：傳輸的最大數據量Lmax.exp_data為發送、接收端間，往返傳播時間內發送的數據量，以字節為單位。

Lmax.exp_data=2×TOWL×Rest.red/8

(2)

(3)

由式(3)可見，Lser.data_unit和Lexp.agg_block均不大于Lest.exp_block。因此，在LTP的服務數據單元不超過block尺寸的情況下，下式成立：

(4)

(5)

式中：Tagg.time_limit在ION3.6.0中給出最小的匯聚時間限制為1 s，本文后續的研究采用此默認值。因此若滿足在匯聚時間內，則：

(6)

又由于Rest.red=Rdata，因此在DTN結構中當使用LTP作為傳輸協議時，其block匯聚尺寸限制可通過下式給出：

Lagg.size_limit=2×TOWL×Rdata/8

(7)

同時可得每秒傳輸的最大block數Nmax_block如公式(8)所示。

Nmax_block=Rdata/(8×Lagg.size_limit)

(8)

4 傳輸性能比較分析

在計劃或預定連接的網絡拓撲條件下，誤碼率、傳播時延、鏈路非對稱是影響傳輸性能的關鍵因素。以下將針對這3個主要因素，采用靜止軌道GEO以下通信場景，對DTN空間應用的TCP和LTP協議傳輸性能進行比較分析，研究空間鏈路特性對協議傳輸性能的影響和制約。

4.1 實驗配置

一般而言低軌衛星(low earth orbit，LEO)的軌道高度在500～1 500 km，中軌衛星(medium earth orbit，MEO)是5 000～20 000 km，靜止軌道衛星(geostationary earth orbit，GEO)的高度約35 876 km。除緯度大于75°的兩極地區，利用3顆間隔120°的靜止軌道GEO衛星就可以實現全球絕大區域的覆蓋，通過靜止軌道衛星為中繼的3種典型傳輸場景如表3所示。其中GS為地面站，場景1為直接通過中低軌衛星過頂發送；場景2為地面站離開中低軌衛星的通信窗口，通過高軌衛星一跳中繼傳輸；場景3為通過兩顆高軌衛星多跳中繼傳輸。傳輸時延和誤碼率兩方面鏈路特性有顯著變化。為了折中說明靜止軌道以下空間通信環境對協議性能的制約，本文采用如上所述的場景2，其拓撲結構如圖4所示。

表3 三種傳輸場景的傳輸時延和傳輸路徑

如圖4所示LEO將數據轉發給地面站的過程中，若利用GEO中繼轉發，在傳輸過程中為多跳，若每跳采用不同的傳輸協議，會有多種不同的傳輸協議組合，而不同協議組合可能對傳輸性能造成影響。由于本文僅研究提供可靠服務的TCP和LTP，因此重點研究這兩種方法及二者組合的傳輸性能，即BP/LTP/IP、BP/ TCP/IP、BP/LTP /IP+BP/ TCP/IP組合的3種形式，并且以上的BP協議均托管去使能。采用半實物仿真測試平臺進行真實數據流測試，其結構如圖5所示，5臺安裝DTN等相關協議的測試結構，分別作為源節點、鏈路模擬器、中繼節點和目的節點，其中鏈路1主機模擬LEO到GEO 的鏈路特性，鏈路2主機模擬GEO到地面站GS的鏈路特性。在仿真驗證中，通過Netem模擬實現鏈路特性模擬，主要包括鏈路的傳播時延、誤碼率、上下行發送的速率等，BP協議和LTP協議利用JPL開發的ION3.6.0實現，實驗參數配置如表4所示。

圖4 實驗拓撲圖Fig.4 Experimental topology

圖5 測試平臺結構Fig.5 Test platform structure

表4 實驗參數配置

4.2 實驗結果簡析

在半實物仿真平臺實驗中，通過在發送端傳輸大小為20 Mbyte文件的真實數據流，利用接收端正確接收所有數據后的有效吞吐量(Goodput)衡量協議傳輸性能，鏈路模擬器的不同配置分析鏈路特性對協議性能的制約。圖6首先分析了誤碼率對協議傳輸性能的影響。即為信道非對稱為1∶1時，信道誤碼率對傳輸性能的影響。由圖可見，去耦合信道對稱特性，當信道誤碼率小于10-7時，3種方式傳輸性能相當并不懸殊，而隨著信道誤碼率的增大，LTP+TCP和TCP兩種方式有效吞吐量急劇下降，嚴重影響傳輸性能。由此可見，對于誤碼率較低的空間通信場景，仍然可以采用成熟的TCP傳輸方式，但隨著誤碼率的提高，TCP傳輸性能受到嚴重的制約，而LTP在應對高誤碼率的空間通信場景卻表現出較好的特性，應用LTP進行此類場景的傳輸更加穩定有效。

圖6 誤碼率對協議性能的影響Fig.6 Effect of bit error rate on protocol performance

圖7則關注信道非對稱特性對協議傳輸性能的制約。即誤碼率0時，在不同信道非對稱比例下，3種方式有效吞吐量Goodput的對比。可見在下行速率/上行速率小于50∶1時，3種協議性能相差不太大。當信道非對稱比例大于50時，TCP性能急劇下降。信道非對稱比例在小于200時，LTP和LTP+TCP性能接近，而當信道非對稱繼續加劇時，由圖7可見，LTP+TCP性能急劇惡化，但LTP有效吞吐量基本保持穩定。這表明LTP在應對信道非對稱特性上具有很好的特性。

圖7 信道非對稱對協議性能的影響Fig.7 Effect of channel asymmetry on protocol performance

圖8(a)為誤碼率10-7時，不同信道非對稱比例下，3種方式有效吞吐量Goodput的對比。可見LTP協議的性能比較穩定，并優越于其他兩種方式。圖中顯示，在信道非對稱比例小于25時，協議性能上有一定的差距，其中TCP性能最差。而當信道非對稱比例大于25時，除了LTP之外的兩種方式有效吞吐量均急劇惡化。

圖8(b)為誤碼率是10-6時，信道非對稱特性對3種傳輸方式的性能影響。由圖可見隨著信道非對稱比例的增加，TCP和LTP+TCP性能接近，LTP展現出更為明顯的優勢，有效吞吐量上拉開了更大的差距，這表明LTP可以更為有效地應對高誤碼率的空間非對稱信道特性，更適用于具有挑戰性的空間通信環境。

圖8 誤碼率&信道非對稱對協議性能的共同影響Fig.8 Joint effect of bit error rate and channel asymmetry on protocol performance

5 結論

本文主要研究DTN應對空間通信鏈路長延遲、高誤碼率和鏈路非對稱特性的能力，評估靜止軌道GEO以下的通信場景，未涉及深空通信，所以沒有對誤碼率過高的通信場景進行驗證。但從實驗結果可見，對于信道誤碼率而言，地面互聯網成熟的TCP技術傳輸性能的制約是需要小于10-7，而信道非對稱比例方面需小于50，TCP方能正常工作。因此，近地端的空間通信場景中，TCP仍可以使用，其傳輸性能不會出現大幅度下降。LTP+TCP兩種組合形式的性能略好于TCP，但隨著網絡環境的惡化，其性能急劇惡化。而LTP呈現出很好的特性，尤其隨著誤碼率及信道非對稱比例的增大，其優越性越發明顯。因此，針對具有稍高的信道非對稱比例和誤碼率的空間通信場景，TCP并不適用，而LTP相比具有較強的應對能力，可以保障通信的有效性和可靠性，且傳輸性能相對更加穩定。因此在應對挑戰性的空間通信場景，LTP是首選的傳輸協議。后續工作中仍需要進一步深入研究，針對復雜的空間網絡結構，研究基于DTN的自適應動態路由和開環的擁塞控制機制，為DTN的空間應用提供更為全面的依據。