信道速率非对称性对DTN网络性能的影响研究

摘要

人类对宇宙的探索活动可包括地球应用卫星、载人航天和深空探测三大部分。由于太空环境的特殊性导致地面网络所使用的TCP/IP协议已不再适用，为了实现地球和宇宙行星之间数据的有效传输，需要研究和开发通用的数据交换网络体系。延迟/中断可容忍网络（DTN）是一种能够有效克服太空通信环境的技术。信道速率的非对称性是太空通信的挑战之一，对于如何在高非对称空间信道上获取最佳性能的研究有重要意义。
　　本论文的重点是研究在地月通信环境中，信道速率非对称性对DTN网络中数据传输的影响。为了避免信道速率的非对称性降低数据的传输效率，提出了一些算法。本文的具体工作如下：
　　（1）LTP协议中，有/无汇聚对数据传输的性能影响研究。对于信道速率非对称情况下，LTP协议中是否引入汇聚机制的争议很大，本论文从理论和实验的角度，分析了有/无汇聚对数据传输的影响，发现束（Bundle）的尺寸起决定作用。Bundle尺寸比较小时，加入汇聚机制可以减少确认信息（ACK）的个数，减轻确认信道的压力，由此提高数据传输效率，在此基础上提出避免ACK延时确认所对应的最小汇聚Bundle数目的阈值公式；Bundle尺寸比较大时，发现并不需要通过汇聚机制，数据传输效率也会很高，在此基础上提出避免ACK延时确认所需的最小Bundle尺寸模型。
　　（2）传输效率最高时的最佳汇聚Bundle数目研究。为了提高太空环境中数据传输的效率，LTP协议设计成可以同时开启多个会话（Session），通过合理的设置Session数能够实现数据的连续传输，达到最大限度利用信道资源的目的，由此推导出传输效率最高时的最佳汇聚Bundle数目模型。在数据传输效率最高的情况下，对LTP和TCP协议进行了性能比较。从信道速率非对称性的角度解释 TCP协议在太空环境中性能降低的原因，本质原因是信道速率的非对称性导致了ACK的延时确认。
　　（3）ACK延时确认对往返时间（RTT）的影响研究。数据发送过程中的RTT是表征协议性能很重要的指标，可以通过跟踪RTT的变化来了解网络的拥塞情况以及超时时钟的设置。通过分析发现，信道速率的高非对称性导致了ACK的延时确认使得RTT增加。为了进一步量化Block中汇聚不同Bundle数目对数据传输RTT的影响，建立了有/无链路中断情况下的数据传输RTT模型。结果表明，当Block中汇聚的Bundle数目大于阈值时，数据传输的RTT是一个定值，而汇聚的数目小于阈值时，数据传输的RTT会随着汇聚个数的增加而减小。
　　为了验证提出模型的有效性，本文使用 DTN协议软件（ION），在基于Linux的网络实验测试平台上进行真实的文件传输，由此证明推导模型的可靠性。本文所提出的理论模型，对于中国未来的空间探测任务有重要的指导意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 太空通信协议的发展

1.2 DTN的研究现状与意义

1.3 主要研究内容与创新点

第二章 DTN网络及相关协议

2.1 DTN网络

2.2 束协议

2.3 汇聚层及协议

2.4 太空通信的整个过程

2.5 本章小结

第三章 LTP中有/无汇聚对数据传输的性能影响研究

3.1 LTP协议中的汇聚机制

3.2 地月通信环境中实验参数的设置

3.3 避免ACK延时确认所对应的最小汇聚Bundle数目建模

3.4 阈值模型匹配性验证

3.5 本章小结

第四章 传输效率最高时的最佳汇聚Bundle数目研究

4.1 Block中汇聚的Bundle数目的最优值建模

4.2 Block中汇聚的Bundle数目的最优值验证

4.3 最优模型的应用：信道速率非对称对TCP和LTP的影响比较

4.4 本章小结

第五章 ACK延时确认对RTT的影响研究

5.1 ACK延时确认对RTT的影响建模

5.2 不同环境下的RTT模型验证

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间本人取得的学术成果

附录

I 基于Linux的实验仿真平台搭建

II 太空网络环境的模拟

III ION中配置文件的设置

致谢