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一种基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法

摘要

本发明涉及数据传输领域,尤其涉及一种基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法;本方案提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法在LTP单会话传输模式基础上,由接收端主动触发的提前加速重传策略;即在红数据初始传输阶段,接收端根据实际接收情况产生接收报告,提前启动重传过程。通过异步加速重传,不但可以尽快地恢复丢失的数据,提高了文件传输效率;而且减小了重传启动对EORP数据段的依赖,缩短了文件传输时间;该策略非常适合连接时间短、长距离及高误码率的场景。

著录项

  • 公开/公告号CN106100797A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2016-11-09

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 肇庆学院;

    申请/专利号CN201610520286.5

  • 申请日2016-07-02

  • 分类号H04L1/00;H04L1/16;H04L29/08;

  • 代理机构深圳市科吉华烽知识产权事务所(普通合伙);

  • 代理人孙伟

  • 地址 526061 广东省肇庆市端州区肇庆大道

  • 入库时间 2023-06-19 00:52:11

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2019-05-17

    授权

    授权

  • 2016-12-07

    实质审查的生效 IPC(主分类):H04L1/00 申请日:20160702

    实质审查的生效

  • 2016-11-09

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及数据传输领域,尤其涉及一种基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法。

背景技术

随着科技水平的进步,人们的目光以及不止局限于地球本体,而是更多的瞄向了太空。在人类征服太空过程中需要克服的困难之一就是如何在地球和外太空之间进行通讯,尤其是地球与深空(离地球的距离约等于或大于2×106km的空间)之间的通信。

由于距离非常遥远,深空通信与地面通信差异巨大,其面临的主要挑战为:第一:距离较长且可变时延;第二:链路间歇断续;第三:高且可变的误码率;第四:上下行链路非对称。

目前主要应用到的通讯方式包括TCP协议、UDP协议、SCPS-TP协议、TP-Planet协议、RCP-Planet协议、Saratoga协议、CFDP协议、LTP协议等。

TCP(Transmission Control Protocol传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,由IETF的RFC793定义。在简化的计算机网络OSI模型中,它完成第四层传输层所指定的功能,用户数据报协议(UDP)是同一层内。另一个重要的传输协议。在因特网协议族(Internet protocol suite)中,TCP层是位于IP层之上,应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接,但是IP层不提供这样的流机制,而是提供不可靠的包交换。

应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流,然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段(通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元MTU的限制)。之后TCP把结果包传给IP层,由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包,就给每个包一个序号,同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认(ACK);如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认,那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误;在发送和接收时都要计算校验和。

但是在短距离通用的TCP协议在深空通信中性能很差,主要原因为:首先,深空通信中传播延时巨大,例如,火星到地球的往返时延根据星体的轨道位置不同通常在8.5到40分钟之间,如果往返时延大于通信持续时间,那么应用数据根本没有传输的机会。其次,由于星体自身的转动会造成深空通信链路周期性中断,而传统的TCP协议是一种面向连接的通信协议,在链路中断的情况下,TCP协议无法区分数据包丢失的原因是网络拥塞还是信道误码,它主要通过降低报文发送速率以避免拥塞的策略来处理误码。再次,深空信道的误码率(BER)通常比地面信道的误码率大,典型的深空通信误码率为10-5,那么会产生过多的ACK,从而产生拥塞问题。最后,上、下行链路的传输速率不对称对TCP的吞吐量影响也非常大。由于TCP协议通过ARQ机制保证按顺序发送文件信息,任一丢失的数据包将引起该数据包之后的所有数据重新发送,进一步延长资源占用缓存的时间,不适用于缓存空间和处理能力有限的深空探测器。综上,现有的TCP协议在深空通信中的传播时延长、误码率高、非对称链路、链路断续以及异构网络等问题上面临严峻的挑战。在链路时延或者时延带宽积较大的深空网络,各种TCP改进协议相差不大且性能很差,在地球-火星之间甚至无法通信。

UDP是User Datagram Protocol的简称,中文名是用户数据报协议,是OSI(Open System Interconnection,开放式系统互联)参考模型中一种无连接的传输层协议,提供面向事务的简单不可靠信息传送服务,IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。

UDP协议全称是用户数据报协议,在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包,是一种无连接的协议。在OSI模型中,在第四层——传输层,处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点,也就是说,当报文发送之后,是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。

与TCP(传输控制协议)协议一样,UDP协议直接位于IP(网际协议)协议的顶层。根据OSI(开放系统互连)参考模型,UDP和TCP都属于传输层协议。UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据包的前8个字节用来包含报头信息,剩余字节则用来包含具体的传输数据。

但是UDP是面向无连接的通信协议,其通信时不需要接收方确认,属于不可靠的传输。由于深空通信中的数据业务大都为珍贵的图像及科学数据,要求协议必须提供必要的重传机制以保证可靠的数据传输。

SCPS-TP是SCPS的传输层协议,在设计SCPS之处,就考虑到了与现有网络的融合,SCPS-TP就是基于TCP协议扩展而来。

目前该协议已很少应用于空间通信,SCPS-TP的可靠传输依然是采用先建立连接再传送数据的模式,在Go-back-N的ARQ基础上提供选择重传(SNACK)机制,仅要求重传未收到的那部分数据,但是未充分利用重传机制。

TP-Planet协议也是在TCP基础上改进而来的,其采用选择性肯定应答(SACK)重传机制来提供可靠的服务,在深空大时延及高误码率情况下,极易产生拥塞问题,信道利用率低。

RCP-Planet协议是与TP-planet类似的一个不可靠协议,它结合分组级的前向纠错(FEC),采用探测速率控制方案来应对拥塞控制与错误率,利用FEC数据块级的应答来应对带宽非对称。

Saratoga协议是专为对等点对点链路设计的,致力于有效的数据转发,假定链路层具有很强的FEC能力,是第一个被应用于DTN的汇聚层协议。萨拉托加协议为了在对等节点间交换“bundles”,在DTN网络里提供了一种基于IP包的汇聚层,支持“bundles”的存储-转发。它采用SNACK实现了IP包基于UDP的传输,属于不可靠的传输协议。

CFDP(CCSDS File Delivery Protocol)是指CFDP文件传输协议,一种空间通信传输协议。CFDP协议提供端到端的文件传输服务。其实现横跨应用层与传输层,包含两种操作:核心与扩展。其采用否定应答(NAK)ARQ机制来实现可靠通信。但是在重传机制方面只要求重传错误或丢失的PDU一次,这在传输距离非常远,链路误码率极高的环境下性能会变差。

LTP(Licklider transmission protocol)是指Licklider传输协议,一种空间长距离文件传输协议。LTP协议是在CFDP协议的基础上,专门为以极长距离及频繁中断为特征的单跳深空链路而设计的。它作为DTN协议体系中的一种汇聚层协议,可以提供基于重传的可靠服务。为提高深空链路利用率,尽管LTP协议设计中引入了会话的概念,但是单会话中直至接收端成功收到红数据传输结束(EORP)数据段,才启动重传过程的传输机制仍旧制约着数据的传输效率。

综上所述,现有的数据传输系统存在传输效率低下、传输出错率高等问题,需要设计一种新的传输方案,能够提供较高的传输效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法,旨在解决现有数据传输方法效率低下的问题。

本发明是这样实现的:一种基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法,包括以下步骤:

A.发送端发送数据;

B.接收端接收数据,所述接收端在接收到所有数据前产生一个重传信息信号RS;

C.所述发送端接收所述重传信息信号RS;

D.所述发送端检测所述重传信息信号RS,若所述重传信息信号RS中有需要重传的数据,则进入步骤E,若所述重传信息信号RS中没有需要重传的数据,则进入步骤F。其中RS(report segment)是指报告段,用于告知发送端的接收情况。因为每个数据段都有一定的标号,接收端依据接收数据的标号来判断丢失或错误的数据。

E.所述发送端重传丢失数据;

F.所述发送端继续传送直到所有数据传送完毕。

本发明在LTP单会话传输模式基础上,增加了由接收端主动触发的提前加速重传策略。通过异步加速重传,不但可以尽快地恢复丢失的数据,提高了文件传输效率;而且减小了重传启动对EORP数据段的依赖,缩短了文件传输时间。该策略非常适合连接时间短、长距离及高误码率的场景。

本发明的进一步技术方案是:所述步骤E包括以下分步骤:

E1:所述发送端重传丢失或错误数据;

E2:所述接收端接收所述发送端发送的所述丢失或错误数据;

E3:所述接收端检测所述丢失或错误数据,若依然出现错误或丢失,则再次发送所述重传信息信号RS并进入步骤D。多次重传可以确保信息的准确性。

本发明的进一步技术方案是:步骤A包括以下分步骤:

A1.所述发送端发送数据;

A2.所述接收端产生一个重传信息信号RS。该步骤可以提前引发重传,进一步提高传输效率。

本发明的进一步技术方案是:所述数据包括红数据与绿数据。其中红数据表示数据块中需要可靠传输的数据,绿数据表示数据块中无需可靠传输的数据。

本发明的进一步技术方案是:所述发送端发送完毕所有红数据时发出红数据传输结束数据段EORP。

本发明的进一步技术方案是:所述发送端发送完毕所有绿数据时发出数据块传输结束数据段EOB。

本发明的进一步技术方案是:所述数据发送时先发送红数据再发送绿数据。

本发明的进一步技术方案是:步骤B中所述接收端在接收到γ·NR个信号时产生一个重传信息信号RS,其中NR表示红数据总数,γ∈[0,1]。本发明的进一步技术方案是:所述基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法满足以下公式:

当RTR≤(1-γ)TR时,

E(TASB)=(Tprop+TR+Tmar)+EA(SM)·(2Tprop+2Tmar)+[1-(1-Pef)·γ]·N·Tseg·(Pef1-Pef)

当RTR>(1-γ)TR时,

E(TASB)=(Tprop+TR+Tmar)+[RTR-(1-γ)TR]+EA(SM)·(2Tprop+2Tmar)+[1-(1-Pef)·γ]·N·Tseg·(Pef1-Pef)

EA(SM)=Σm=1P(SMm)=Σm=1[1-P(SM<m)]=Σm=1[1-Πi=1[1-(1-Pef)·γ]·NRP(Si<m)]=Σm=1[1-(1-Pefm)[1-(1-Pef)·γ]·NR]

其中,RTR为异步加速重传红数据的传输时间,(1-γ)TR为初次发送阶段剩余的红数据段的传输时间,E(TASB)为在一个LTP会话中传输一个数据块的平均文件传输时间;Tprop为单向传播时延,TR为红数据的传输时间,Tmar为一个2s裕量,EA(SM)表示直至所有红数据段成功被接收端接收所需的平均重传次数,γ为异步触发点位置且γ∈[0,1],N为数据块包含数据段的总数目,Tseg为单个segment的传输时间,Pef为segment的错误概率。

本发明的有益效果是:本方案提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法在LTP单会话传输模式基础上,由接收端主动触发的提前加速重传策略。即在红数据初始传输阶段,接收端根据实际接收情况产生接收报告,提前启动重传过程。通过异步加速重传,不但可以尽快地恢复丢失的数据,提高了文件传输效率;而且减小了重传启动对EORP数据段的依赖,缩短了文件传输时间。该策略非常适合连接时间短、长距离及高误码率的场景。

附图说明

图1是本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法的文件传输时间及异步加速重传过程示意图。

图2是标准LTP传输一个会话数据块的平均文件传输时间在不同数据段数目情况下对segment错误概率示意图。

图3是本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法和现有技术方法在地-火场景中,异步触发点γ的数值为0时候的平均文件传输时间的比较。

图4是本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法和现有技术方法在地-火场景中,异步触发点γ的数值为0.2时候的平均文件传输时间的比较。

图5是本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法和现有技术方法在地-火场景中,异步触发点γ的数值为0.5时候的平均文件传输时间的比较。

图6是本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法和现有技术方法在地-火场景中,异步触发点γ的数值为0.8时候的平均文件传输时间的比较。

图7是本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法在不同错误概率情况下异步加速获得增益示意图。

具体实施方式

实施例一如图1-7所示。

图1是本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法的文件传输时间及异步加速重传过程示意图。

本方案提供了一种基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法,包括以下步骤:

A.发送端发送数据;

B.接收端接收数据,所述接收端在接收到所有数据前产生一个重传信息信号RS;

C.所述发送端接收所述重传信息信号RS;

D.所述发送端检测所述重传信息信号RS,若所述重传信息信号RS中有需要重传的数据,则进入步骤E,若所述重传信息信号RS中没有需要重传的数据,则进入步骤F。

E.所述发送端重传丢失数据;

F.所述发送端继续传送直到所有数据传送完毕。

其中,步骤A包括以下分步骤:

A1.所述发送端发送数据;

A2.所述接收端产生一个重传信息信号RS。该步骤可以提前引发重传,进一步提高传输效率。

所述步骤E包括以下分步骤:

E1:所述发送端重传丢失或错误数据;

E2:所述接收端接收所述发送端发送的所述丢失或错误数据;

E3:所述接收端检测所述丢失或错误数据,若依然出现错误或丢失,则再次发送所述重传信息信号RS并进入步骤D。多次重传可以确保信息的准确性。

此外,所述数据包括红数据与绿数据。所述发送端发送完毕所有红数据时发出红数据传输结束数据段EORP。所述发送端发送完毕所有绿数据时发出数据块传输结束数据段EOB。所述数据发送时先发送红数据再发送绿数据。

另外,步骤B中所述接收端在接收到γ·NR个信号时产生一个重传信息信号RS,其中NR表示红数据总数,γ∈[0,1]。

所述基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法满足以下公式:

当RTR≤(1-γ)TR时,

E(TASB)=(Tprop+TR+Tmar)+EA(SM)·(2Tprop+2Tmar)+[1-(1-Pef)·γ]·N·Tseg·(Pef1-Pef)

当RTR>(1-γ)TR时,

E(TASB)=(Tprop+TR+Tmar)+[RTR-(1-γ)TR]+EA(SM)·(2Tprop+2Tmar)+[1-(1-Pef)·γ]·N·Tseg·(Pef1-Pef)

EA(SM)=Σm=1P(SMm)=Σm=1[1-P(SM<m)]=Σm=1[1-Πi=1[1-(1-Pef)·γ]·NRP(Si<m)]=Σm=1[1-(1-Pefm)[1-(1-Pef)·γ]·NR]

其中,RTR为异步加速重传红数据的传输时间,(1-γ)TR为初次发送阶段剩余的红数据段的传输时间,E(TASB)为在一个LTP会话中传输一个数据块的平均文件传输时间;Tprop为单向传播时延,TR为红数据的传输时间,Tmar为一个2s裕量,EA(SM)表示直至所有红数据段成功被接收端接收所需的平均重传次数,γ为异步触发点位置且γ∈[0,1],N为数据块包含数据段的总数目,Tseg为单个segment的传输时间,Pef为segment的错误概率。

下面结合附图1对本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法进行进一步说明。

首先,我们将数据的发送分为初次发送和重传阶段。其中初次发送是指发送端第一次发送数据,重传是指发送端在收到接收端反馈回来的信号之后再次发送有问题的数据的过程。

在初次发送阶段可以包括以下步骤:

第一步:发送端顺序地发送红数据和绿数据。图1中R代表红数据,G代表绿数据。

第二步:当接收端收到γ·NR个红数据段时异步触发,接收端产生一个重传信息信号RS,并将其发送至发送端。其中NR表示红数据总数,γ∈[0,1]。

第三步:当所有红数据发送完毕后,发送端发送一个红数据传输结束数据段EORP,然后等待重传信息信号RS。

第四步:当所有绿数据发送完毕后,发送端发送一个数据块传输结束数据段EOB。

第五步:发送端在收到重传信息信号RS后,如果没有需要重传的红数据,则关闭事务,否则转入重传阶段。

重传阶段包括以下步骤:

第一步:发送端一旦收到重传信息信号RS,立即重传每一丢失或错误的红数据段(图1中RA,该丢失或错误的红数据发送完毕后再发送一个CP信号)一次。

第二步:接收端统计收到的红数据,如仍有错误或丢失的红数据,再次发送重传信息信号RS要求发送端重传所需红数据。

第三步:如仍有错误或丢失的红数据,重复第一、二步,直到接收端成功收到所有的红数据,然后关闭事务。

通常情况下因为距离较远,信息反馈花费的时间要远大于信息发送的时间,所以重传阶段都是在初次发送阶段完成之后才进行的。此时,所述基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法需要满足以下公式:

当RTR≤(1-γ)TR时,

E(TASB)=(Tprop+TR+Tmar)+EA(SM)·(2Tprop+2Tmar)+[1-(1-Pef)·γ]·N·Tseg·(Pef1-Pef)

当RTR>(1-γ)TR时,

E(TASB)=(Tprop+TR+Tmar)+[RTR-(1-γ)TR]+EA(SM)·(2Tprop+2Tmar)+[1-(1-Pef)·γ]·N·Tseg·(Pef1-Pef)

EA(SM)=Σm=1P(SMm)=Σm=1[1-P(SM<m)]=Σm=1[1-Πi=1[1-(1-Pef)·γ]·NRP(Si<m)]=Σm=1[1-(1-Pefm)[1-(1-Pef)·γ]·NR]

其中,RTR为异步加速重传红数据的传输时间,(1-γ)TR为初次发送阶段剩余的红数据段的传输时间,E(TASB)为在一个LTP会话中传输一个数据块的平均文件传输时间;Tprop为单向传播时延,TR为红数据的传输时间,Tmar为一个2s裕量,EA(SM)表示直至所有红数据段成功被接收端接收所需的平均重传次数,γ为异步触发点位置且γ∈[0,1],N为数据块包含数据段的总数目,Tseg为单个segment的传输时间,Pef为segment的错误概率。

但如果需要发送的信息较长,则可能在初次发送阶段还没有进行完就收到反馈信息,此时则先将初次发送阶段进行完毕再进行重传阶段,即先将所有数据,包括红数据和绿数据全部发送完毕后再进入重传阶段。也可以先暂停初次发送阶段而进入重传阶段,待需要重传的数据发送完毕后再继续回到初次发送阶段继续发送初次数据。

为了衡量LTP异步加速重传策略相对于LTP标准传输过程在文件传输时间上的性能增益,本发明定义增益为:

GSA=E(TASB)-E(TSB)

其中,E(TASB)为采用异步加速重传策略传输一个数据块的平均文件传输时间,E(TSB)为采用标准LTP传输过程传输一个数据块的平均文件传输时间,用二者差值来衡量所提策略的性能。

首先,我们在火星到地球下行链路通信场景中,对标准LTP传输一个会话的平均文件传输时间做了仿真分析比较。为了比较全面准确地反映性能变化情况,丢包率设在0.01至0.5范围内,红数据比例为0.8,下行数据传输速率为2Mbit/s。利用MATLAB平台仿真,得到的结果如图2所示。图2是标准LTP传输一个会话数据块的平均文件传输时间在不同数据段数目情况下对segment错误概率示意图。从图2可以明显看出,一个会话的平均文件传输时间会随着segments错误概率的增大而逐渐增加,并且数据块中segments数目越大所需的文件传输时间也越多。

其次,我们在相同的火星到地球下行链路通信场景下,通过仿真对比分析了本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法的性能。下行数据传输速率仍为2Mbit/s。得到的数据如图3-6所示。

从图中可以看出,采用基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法完成一个会话的平均文件传输时间,相对于LTP建议的标准传输过程来说,随着异步触发点的右移(即数值越大)而不断减小。

图3是本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法和现有技术方法在地-火场景中,异步触发点γ的数值为0时候的平均文件传输时间的比较。从图中可以看出,当异步触发点为0时,基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法性能与标准延迟型一致,这是因为接收端此刻还未开始接收红数据,所以无法产生有效的接收报告。

然而,随着异步触发点的后移,基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法性能逐渐凸显。特别地,当异步触发点后移到0.8时(图6),异步加速重传策略与标准延迟型相比,大约可以减少3个天文单位的传输时间。

图7是本发明提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法在不同错误概率情况下异步加速获得增益示意图。它表示了在不同链路传输条件下基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法的增益曲线。可以看出,基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法带来的增益,一方面会随异步触发点的右移而逐渐变大;另一方面会随segment错误概率的增大而升高。特别地,当segment错误概率为0.5时,其变化几乎趋于线性。这是因为segment数目固定,重传回合数与单向传播时延共同决定了文件传输时间。

本方案提供的基于LTP异步加速重传策略的深空文件传输方法在LTP单会话传输模式基础上,由接收端主动触发的提前加速重传策略。即在红数据初始传输阶段,接收端根据实际接收情况产生接收报告,提前启动重传过程。通过异步加速重传,不但可以尽快地恢复丢失的数据,提高了文件传输效率;而且减小了重传启动对EORP数据段的依赖,缩短了文件传输时间。该策略非常适合连接时间短、长距离及高误码率的场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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