空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的應(yīng)用研究

蔣浩涵

湖南省長沙市周南中學(xué)

空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的應(yīng)用研究

蔣浩涵

湖南省長沙市周南中學(xué)

在航天技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展下，空間網(wǎng)絡(luò)得到了迅速發(fā)展，與傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)相比而言，空間網(wǎng)絡(luò)有著獨(dú)特的優(yōu)勢，與現(xiàn)行的TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)存在一定的沖突。本文主要針對空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的應(yīng)用進(jìn)行分析。

空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 應(yīng)用 研究

伴隨科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)著空間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步。通過將空間網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)對比，可以發(fā)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)所具有的特點(diǎn)包括：網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜結(jié)構(gòu)變化明顯、網(wǎng)絡(luò)資源和能量受限、網(wǎng)絡(luò)連接間斷不規(guī)則的發(fā)生、傳輸延時(shí)較大、鏈路誤碼率較高以及鏈路帶寬不對稱等，與目前的TCP/IP協(xié)議族并不適用。所以，在國際上的很多科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出多種空間網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

1 空間網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸上的影響

空間網(wǎng)絡(luò)具有的高延時(shí)、高誤碼率等特點(diǎn),對傳統(tǒng)的TCP性能有很大的影響，其具體可以分為：鏈路容易被外界因素干擾進(jìn)而使誤碼率較高，傳輸過程數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象頻繁會(huì)造成大量的重傳；衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和有限的節(jié)點(diǎn)資源等都可能造成鏈路中斷；傳輸距離過長、鏈路間斷和帶寬的不對稱等現(xiàn)象使傳輸控制的有效性降低；有限的節(jié)點(diǎn)資源使排隊(duì)與擁塞的情況頻繁出現(xiàn)。

2 空間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分類

2.1 基于時(shí)空分段的空間傳輸協(xié)議

通過對傳統(tǒng)TCP在空間網(wǎng)絡(luò)性能受限問題上的研究發(fā)現(xiàn)，使用時(shí)空分段的理論是改動(dòng)復(fù)雜性相對較小一種類型。通過把端到端的TCP連接進(jìn)行分段，能夠?qū)πl(wèi)星鏈路各階段進(jìn)行針對性的優(yōu)化，進(jìn)而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能得到提升。具體可劃分為TCP Spoofing、Split-TCP以及PETRA。TCP Spoofing是以Split Connection概念為基礎(chǔ)解決兩個(gè)端系統(tǒng)互相不匹配的情況。Split-TCP通過使用傳輸代理把衛(wèi)星鏈路分為上行鏈路與下行鏈路。PETRA采用中繼轉(zhuǎn)播實(shí)體把端到端連接進(jìn)行分割，對各階段使用不同的傳輸協(xié)議，進(jìn)而優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

2.2 基于TCP改進(jìn)的空間傳輸協(xié)議

傳統(tǒng)TCP協(xié)議依靠包括：數(shù)據(jù)處理、擁塞控制及差錯(cuò)控制等子功能塊來實(shí)現(xiàn)。所有子功能塊都可以進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到擁塞與差錯(cuò)控制機(jī)制的相互兼容性。所以，科學(xué)家們針對這種情況對傳統(tǒng)TCP的擁塞與差錯(cuò)控制機(jī)制分別進(jìn)行優(yōu)化處理。SCTP指的是面向消息的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，具有的多宿特性使每個(gè)SCTP關(guān)聯(lián)的一端和一組傳輸?shù)刂方壎ǎ_保當(dāng)首選傳輸路徑出現(xiàn)問題時(shí)可以使用第二條路徑，避免了數(shù)據(jù)的傳輸擁塞。同時(shí)其存在的多流特性，使所有的關(guān)聯(lián)中都會(huì)存在多個(gè)數(shù)據(jù)流，并且這些關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流之間相互獨(dú)立、互不干擾。ECP Peach使用Sudden Start和Rapid Recovery的算法。其中Sudden Start階段，在首個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)后，以固定的時(shí)間間隔發(fā)送rwnd-1個(gè)報(bào)文段，可以加快擁塞窗口值的增加速度，使慢啟動(dòng)能夠盡快的完成。而如果數(shù)據(jù)丟失，TCP Peach就會(huì)在第一時(shí)間使用快速重傳算法重傳丟失的數(shù)據(jù)，接收重傳數(shù)據(jù)的ACK報(bào)文，并且運(yùn)行單個(gè)RTT時(shí)間的Rapid Recover，保證避免擁塞現(xiàn)象。TP-Planet采用的是初始狀態(tài)算法與穩(wěn)定狀態(tài)算法。TP-Planet使用Initial State算法建立連接，然后使用可控方式獲取鏈路的有效資源，使達(dá)到較高數(shù)據(jù)發(fā)送速率的過程加快從而避免鏈路擁塞。

2.3 基于DTN的空間傳輸協(xié)議

DTN是最近幾年剛提出的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，適用在無法持續(xù)性連接的特殊網(wǎng)絡(luò)，例如空間網(wǎng)絡(luò)等。由此，科研人員提出了多種面向DTN的空間傳輸協(xié)議。DS-TP是用于深空網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，其特性是：采用預(yù)定傳輸速率，從而使數(shù)據(jù)傳輸開始時(shí)就具有較高的帶寬利用率，然而同樣會(huì)有擁塞；使用雙重自動(dòng)的重傳策略，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β剩徊捎没旌系膽?yīng)答方式，確保有效的進(jìn)行差錯(cuò)控制。BP指的是無會(huì)話協(xié)議，用于異種網(wǎng)絡(luò)的相互通信。其使用保管傳輸?shù)哪Ｊ剑_保在鏈路中斷后，能夠把數(shù)據(jù)暫存，當(dāng)數(shù)據(jù)丟失時(shí)，及時(shí)快速的重傳，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊FDP指的是文件傳輸協(xié)議，用于可選的傳送方式，根據(jù)不同的需求，提供相對應(yīng)級別的可靠性，確保有效的文件數(shù)據(jù)。LTP以數(shù)據(jù)信息特性為根據(jù)可分為red-part和green-part，對全部的傳輸數(shù)據(jù)構(gòu)建檢查點(diǎn)，確保傳輸過程的安全可靠。LTP在鏈路的失效時(shí)不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失，然而在節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)和處理能力方面有較高的要求，具體操作更加復(fù)雜。

3 結(jié)束語

本文通過對當(dāng)前的空間傳輸協(xié)議簡要的描述，可以看出目前的空間傳輸協(xié)議是傳統(tǒng)TCP在空間網(wǎng)絡(luò)方面的優(yōu)化提高，然而其局限性依然存在。由此，對空間網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的發(fā)展的建議分為：始終以高能效的空間傳輸協(xié)議為方向；使用網(wǎng)絡(luò)編碼等新型的傳輸技術(shù)，增強(qiáng)傳輸性能，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β剩粚鐚觾?yōu)化技術(shù)的進(jìn)一步研究，重點(diǎn)關(guān)注重傳機(jī)制與數(shù)據(jù)鏈路糾檢錯(cuò)機(jī)制的跨層結(jié)合。

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