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活動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)已無法有效提升傳輸性能，難以滿足未來深空通信的傳輸需求[2]。為支撐未來的深空探測活動，需采用網(wǎng)絡(luò)化傳輸，通過改進協(xié)議傳輸機制來提高數(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，無法適用于大時延、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時延、斷續(xù)連接等問題，實現(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，是專為深空極長鏈路設(shè)計的點對點傳輸協(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)揚了CFDP(CCSDS File Delivery Protocol)的設(shè)計思路，通過會話(Session)以數(shù)據(jù)塊(Block)形式進行傳輸，不僅能提供類似TCP的可靠服務(wù)，還可實現(xiàn)猶如UDP的不可靠服務(wù)。

目前，對LTP協(xié)議的性能分析及改進方面取得了一些研究成果。文獻[7-8]在上下行鏈路非對稱地月場景中，利用實驗測試平臺對比分析了LTP、TCP及UDP等匯聚層協(xié)議的性能。文獻[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)計新的傳輸協(xié)議，并對文件傳遞時間、吞吐量等做了性能分析。文獻[11-12]對LTP協(xié)議傳遞時延建模，在地火中繼場景中仿真了會話傳遞時延等性能。文獻[13-14]通過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，雖然上述研究取得了一些有價值的結(jié)果或結(jié)論，但是缺乏對LTP會話模型的理論驗證，未見對其重傳機制的優(yōu)化分析。

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

1 LTP會話過程建模及仿真驗證

以一個會話為例描述數(shù)據(jù)塊的傳輸過程。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。有時按照傳輸需求，會話數(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)傳輸過程中，最后一個紅數(shù)據(jù)段被標記為EORP(End of Red-Part)，表示紅數(shù)據(jù)傳輸完畢，并將其視為檢查點(CheckPoint, CP)，接收端一旦收到EORP須立刻回復(fù)一個接收報告(Report Segment, RS)。同時，發(fā)送端在發(fā)出EROP后，隨之啟動一個定時器，以供定時器超時情況下的EORP自動重傳。數(shù)據(jù)塊中的最后一個數(shù)據(jù)段被標記為EOB(End of Block)，表示會話數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

在會話過程中，假如未發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤或丟失，接收端在收到EORP后立刻回復(fù)RS，并啟動一個定時器，以備發(fā)送端無應(yīng)答時自動重傳RS。當(dāng)收到RS后，發(fā)送端關(guān)閉EORP定時器，并回復(fù)一個應(yīng)答報告(Report-Acknowledgment segment, RA)。接收端收到RA隨即關(guān)閉RS定時器，結(jié)束會話。如果會話中有除EORP外的紅數(shù)據(jù)丟失，就會觸發(fā)重傳過程。發(fā)送端根據(jù)收到的接收報告，回復(fù)RA并重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)段，最后一個重傳數(shù)據(jù)段也被標記為CP。在收到RA后，接收端關(guān)閉RS定時器。接收端收到CP后，統(tǒng)計數(shù)據(jù)的接收情況，如果仍有數(shù)據(jù)未收到，需重復(fù)上述重傳過程，直至所有數(shù)據(jù)被成功接收，會話結(jié)束。

下面對LTP會話過程建模，分析文件傳輸時間，并進行仿真驗證。

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)段長度相等；

3)每一segment出現(xiàn)的錯誤概率相同(除EORP/CP)；

4)鏈路中發(fā)生的錯誤事件是統(tǒng)計獨立的；

5)忽略RS和RA的傳輸時間；

6)EORP、CP、RS及RA錯誤概率為0。

文中記號規(guī)定見表1。

表1 符號定義

定義文件傳輸時間為從會話數(shù)據(jù)的第1比特開始，直到所有紅數(shù)據(jù)段成功到達接收端的時刻，如圖1所示。整個文件傳輸時間分為2個階段：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確認過程。這里，Tprop為單向傳播時延，TR和TG分別表示紅、綠數(shù)據(jù)段的發(fā)送時間。

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

重點考慮重傳階段，定義隨機變量Si為第i個紅數(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，并且它總是非負的，因為在經(jīng)過初次發(fā)送階段后，已有部分紅數(shù)據(jù)段可能成功到達接收端。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到達發(fā)送端時，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到達發(fā)送端時，綠數(shù)據(jù)仍未發(fā)送完畢，由于紅數(shù)據(jù)相對于綠數(shù)據(jù)而言并無更高優(yōu)先級，那么重傳的紅數(shù)據(jù)只能排隊于綠數(shù)據(jù)之后。基于以上分析，第1個重傳回合所需時間為：

圖1 LTP會話傳輸過程

TR1=T1+RT1+2Tmar

(1)

其中，

(2)

易知，在一次會話中傳輸整個數(shù)據(jù)塊所需時間為：

(3)

式中,后2項之和為整個重傳階段所需的時間，其期望值為：

(4)

式(4)中，

(5)

(6)

基于以上分析，一次會話中文件傳輸時間的期望值為：

當(dāng)TG≤2Tprop時，

(7)

當(dāng)TG>2Tprop時，

(8)

進一步化簡式(7)和(8)可得：

當(dāng)TG≤2Tprop時，

(9)

當(dāng)TG>2Tprop時，

(10)

其中，

(11)

結(jié)合以上理論分析，利用Matlab工具對LTP會話的平均文件傳輸時間進行了隨機仿真驗證，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 隨機仿真與數(shù)值分析對比

可以看出，不管在地月還是地火場景中，隨機仿真結(jié)果與數(shù)值分析曲線都非常吻合，仿真實驗中設(shè)置Block大小為20MB，數(shù)據(jù)段長度為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，極長時延、鏈路斷續(xù)、高誤碼率及節(jié)點稀疏等特點決定了鏈路資源非常珍貴。在LTP會話中，只有收到紅數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束(EORP)才啟動重傳的傳輸機制，極大浪費了可用傳輸鏈路，嚴重制約著數(shù)據(jù)傳輸效率。因此，須考慮加速啟動重傳，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)段額外地標記為CP；其二，接收端在紅數(shù)據(jù)初次接收過程中異步產(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)時刻及觸發(fā)頻次，以及對重傳數(shù)據(jù)的處理方式等都會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延遠大于一個會話時間，也即當(dāng)RS到達發(fā)送端時，會話數(shù)據(jù)已傳輸完畢，如圖3所示。為方便起見，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 異步加速重傳過程

2.2 數(shù)學(xué)分析

下面分析異步加速重傳過程，推導(dǎo)異步加速重傳時的平均文件傳輸時間。

由圖3可見，在紅數(shù)據(jù)初次發(fā)送過程中，當(dāng)傳輸?shù)溅谩R個紅數(shù)據(jù)段時異步觸發(fā)，γ表示異步觸發(fā)點的位置，滿足γ∈[0,1]。當(dāng)異步產(chǎn)生的RS到達發(fā)送端時，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個紅數(shù)據(jù)段。接收端在收到EORP并進入重傳階段時，因異步重傳數(shù)據(jù)仍未到達接收端，僅需對異步觸發(fā)剩余的(1-γ)·NR個初次發(fā)送的紅數(shù)據(jù)段，及Pef·γ·NR個需異步重傳的紅數(shù)據(jù)段進行丟包統(tǒng)計，即共需統(tǒng)計[1-(1-Pef)·γ]·NR個紅數(shù)據(jù)段的接收情況?；谝陨戏治觯粋€會話數(shù)據(jù)塊的傳輸時間為：

(12)

(13)

可知，存在如下關(guān)系：

(14)

(15)

這里，

(16)

可得，傳輸一個數(shù)據(jù)塊所需時間的期望值：

當(dāng)RTR≤(1-γ)TR時，

(17)

當(dāng)RTR>(1-γ)TR時，

(18)

3 典型場景下的仿真對比

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

表2 仿真場景參數(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、地火場景中，平均文件傳輸時間隨Segment錯誤概率、數(shù)據(jù)段數(shù)目及異步觸發(fā)點等不同條件下的變化情況。可見，采用異步加速重傳策略完成一個會話的平均文件傳輸時間，相對于LTP協(xié)議建議的傳輸時間，會隨著異步觸發(fā)點的右移而不斷減小。

由仿真實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)異步觸發(fā)點為0.2時，異步加速重傳策略性能與LTP標準協(xié)議相差無幾，這主要是因為接收端需要提前重傳的紅數(shù)據(jù)量少，所以為了圖4清晰，將異步觸發(fā)點為0.2時的傳輸曲線近似為LTP標準協(xié)議的傳輸曲線。

圖4 不同異步觸發(fā)點處的傳輸性能

可見，隨著異步觸發(fā)點不斷后移，異步加速重傳策略性能逐漸凸顯。特別地，當(dāng)異步觸發(fā)點后移到0.8時，采用異步加速重傳策略完成一個會話傳輸，在地月場景中比LTP標準協(xié)議可節(jié)省2.5～5s的傳輸時間，而在地火場景中可減少1.5～3.8個天文單位a.u.(astronomical unit，1a.u.=480s)的傳輸時間。

圖5仿真了在不同Segment錯誤概率情況下，在地月、地火場景中，采用異步加速重傳策略帶來的性能提升。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間的減少量，即：

(19)

圖5 不同錯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的性能提升，不但會隨異步觸發(fā)點的右移而逐漸變大，而且會隨Segment錯誤概率的增大而升高。當(dāng)Segment錯誤概率為0.5時，因為重傳回合數(shù)與單向傳播時延統(tǒng)治了文件傳輸時間，其變化幾乎趨于線性。特別地，當(dāng)異步觸發(fā)點位于紅數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時，采用改進策略完成一個會話，在地月、地火場景中帶來的性能提升分別可達6.7s和5個天文單位。

4 結(jié)論

未來深空通信中業(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，對深空環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求。本文通過改進LTP協(xié)議的傳輸機制，提出一種面向未來深空通信的LTP異步加速重傳策略，縮短了會話時間，提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，可為我國航天任務(wù)中的深空文件傳輸協(xié)議設(shè)計提供參考。下一步將結(jié)合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存儲空間受限等情況，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸過程中異步觸發(fā)點的位置，對深空環(huán)境下的LTP異步加速重傳策略進行更深入的研究。