面向深空通信的LTP多會話數(shù)據(jù)聚合策略

吳海濤 梁迎春

肇慶學院，廣東 526061

作為維系深空探測活動的紐帶，深空通信與地面通信及衛(wèi)星通信相比[1]，不但要忍受極長且可變的時延，還要遭受各種干擾、損耗及衰減等交疊影響，更要面對由星體及探測器運動導致的頻繁鏈路斷續(xù)等問題，復雜多變的環(huán)境嚴重制約著數(shù)據(jù)傳輸效率。當前，通過增加發(fā)射功率、增大天線口徑等技術(shù)手段提升點對點鏈路的傳輸能力，已難以支撐未來空間科學活動的全面展開[2]。隨著探測任務深入開展、探測距離持續(xù)加大及載荷性能不斷提升，空間通信迫切需要一個互連、互操作且能提供容忍中斷、容忍延時服務的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

如今，美國已建立了性能強大的深空測控網(wǎng)與火星中繼網(wǎng)絡(luò)，“洞察”號火星探測器成功著陸并回傳圖片，彰顯了其強大的測控能力。我國深空探測起步較晚，現(xiàn)階段已解決了深空點對點通信問題，“天鏈”系列數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星組網(wǎng)、“鵲橋”月球中繼衛(wèi)星及嫦娥四號的成功發(fā)射標志著我國正朝著網(wǎng)絡(luò)化傳輸發(fā)展。為了有效支撐未來更復雜、更遙遠的深空探測任務，滿足對數(shù)據(jù)傳輸效率的需求，人們正努力將CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)空間通信協(xié)議簇，不斷移植到延時/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay /Disruption-Tolerant Network，DTN)體系下，期望在極其艱難的星際環(huán)境中，DTN能提供如地面因特網(wǎng)般的服務。

眼下，DTN協(xié)議體系僅包含CCSDS正式頒布的BP(Bundle Protocol)、LTP(Licklider Transmission Protocol)等少數(shù)協(xié)議[3-4]。BP協(xié)議是核心覆蓋層協(xié)議，采用保管傳輸及存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，改善了端到端的可靠性。作為BP協(xié)議的一種匯聚層協(xié)議，LTP協(xié)議秉承了CFDP(CCSDS File Delivery Protocol)的設(shè)計思路，是專為深空長距離鏈路設(shè)計的點對點協(xié)議。LTP協(xié)議通過會話(Session)將應用數(shù)據(jù)以塊(Block)形式傳輸，既能提供類似TCP的可靠傳輸，也可提供如同UDP的盡力而為服務。

目前，空間TCP/IP協(xié)議體系已被證實無法適用于深空環(huán)境，CCSDS協(xié)議體系雖得到成功應用，但需針對不同場景人工選擇相應協(xié)議，DTN協(xié)議體系被視為解決深空通信面臨的長距離、大衰減及鏈路斷續(xù)等困難的有效手段[5-6]。

近幾年，在LTP協(xié)議方面出現(xiàn)了不少代表性的研究成果：1)根據(jù)LTP協(xié)議傳輸機理，利用實驗平臺在特定場景中對比驗證其傳輸性能。文獻[7-8]在上下行非對稱地月場景中，對比分析了LTP與TCP、UDP作為匯聚層協(xié)議的性能;2)通過數(shù)學建模，仿真估算會話傳輸時延。文獻[9-10]對LTP協(xié)議傳輸過程建模，在地火場景中仿真驗證了會話傳輸時延;3)將LTP協(xié)議與編碼結(jié)合設(shè)計傳輸協(xié)議，提升有效吞吐量。文獻[11-12]分別將Reed-Solomon碼、噴泉碼與LTP協(xié)議結(jié)合設(shè)計了新的傳輸協(xié)議，并分析了特定場景下的吞吐量;4)通過跨層聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，以最小化文件傳遞時延等條件為約束，給出了在特定任務和環(huán)境下的數(shù)據(jù)單元大小優(yōu)化方案[13-14]。

但研究工作大都集中在LTP協(xié)議的單會話性能比較、傳輸過程建模、提高吞吐量及數(shù)據(jù)單元優(yōu)化等方面，對多會話傳輸及Bundle聚合研究較少。LTP單會話傳輸?shù)难舆t應答機制，在以長距離、斷續(xù)為顯著特征的深空鏈路中，會導致信道資源的利用率不足。因此，提高深空信道利用率就顯得尤為重要。

目前，作者對CFDP協(xié)議性能進行了深入研究，提出了一種改進方案并做了仿真對比驗證[15-17]；并在此基礎(chǔ)上建模分析了LTP會話傳輸過程，提出了異步加速重傳策略[18]。本文基于前期研究成果，采用多會話傳輸機制及Bundle聚合方法，提出一種多會話數(shù)據(jù)聚合策略，仿真分析其傳輸性能。

1 LTP單會話傳輸過程

首先，根據(jù)鏈路層的最大傳輸單元(Maximum Transmission Unit, MTU)大小，將要傳輸?shù)恼麄€文件數(shù)據(jù)塊分割為數(shù)據(jù)段(Segments)。邏輯上，既包含需基于重傳保障可靠傳輸?shù)募t數(shù)據(jù)段，也包含無需可靠傳輸?shù)木G數(shù)據(jù)段。按照實際傳輸需求，會話數(shù)據(jù)塊也可全為紅數(shù)據(jù)段或綠數(shù)據(jù)段。然后，按照紅數(shù)據(jù)段先發(fā)，綠數(shù)據(jù)段后發(fā)的原則依次發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送時，數(shù)據(jù)塊中的最后一個紅數(shù)據(jù)段被標記為紅數(shù)據(jù)結(jié)束(End of Red-Part, EORP)，用于指示數(shù)據(jù)塊中的紅數(shù)據(jù)傳輸完畢，并將其作為檢查點(CheckPoint, CP)，要求接收端一旦收到EORP后必須馬上回復接收報告(Report Segment, RS)。當發(fā)出EROP后，發(fā)送端立刻啟動一個定時器，以備EORP在定時器超時后的自動重傳。整個數(shù)據(jù)塊中的最后一個數(shù)據(jù)段也被標記為塊結(jié)束(End of Block, EOB)，表示整個會話數(shù)據(jù)塊傳輸完畢。

接收端在收到第一個數(shù)據(jù)段后，立刻啟動會話接收過程。如果在接收過程中未發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤或丟失的話，接收端一旦收到EORP立刻回復一個RS，并啟動一個定時器以便發(fā)送端無回應時自動重傳RS。發(fā)送端在成功收到RS后，馬上關(guān)閉對應的EORP定時器，即刻產(chǎn)生并發(fā)送一個回復報告(Report-Acknowledgment segment, RA)。接收端在收到RA后，立刻關(guān)閉RS定時器，會話結(jié)束。如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中有紅數(shù)據(jù)段丟失，就會啟動重傳過程。接收端返回一個(或多個)詳細描述丟失數(shù)據(jù)的接收報告，并分別為每個RS開啟一個定時器。發(fā)送端在收到RS后，回復RA并重傳丟失的數(shù)據(jù)段，將重傳數(shù)據(jù)中的最后一個數(shù)據(jù)段標記為CP。接收端在收到RA后，關(guān)閉相應的RS定時器。當接收端收到CP后，再次統(tǒng)計收到的數(shù)據(jù)，如果仍有數(shù)據(jù)丟失，需不斷重復上述重傳過程，如果此時所有數(shù)據(jù)均被成功接收，會話結(jié)束。

2 LTP多會話傳輸機制與數(shù)據(jù)聚合方法

深空通信節(jié)點稀少、鏈路斷續(xù)及存儲轉(zhuǎn)發(fā)等特點要求必須高效地利用鏈路資源。如果LTP直至收到前一數(shù)據(jù)塊的回復信息，才繼續(xù)傳輸后面數(shù)據(jù)塊，就會造成可用傳輸時機的極大浪費。因此，須考慮開啟多個會話提高信道利用率。

2.1 LTP多會話傳輸機制

設(shè)想的一種LTP多會話傳輸機制如圖1所示。為方便闡述多會話傳輸機制，假設(shè)各會話中數(shù)據(jù)塊長度相同，都包含3個紅數(shù)據(jù)段和1個綠數(shù)據(jù)段。

由圖1可見，在會話1中，當數(shù)據(jù)塊Block1中標記為EOB的綠數(shù)據(jù)段傳輸完后，發(fā)送端需等待一段時間才收到回復的接收報告RS。如果需要等待的往返時間(Round Trip Time, RTT)很長，勢必導致珍貴鏈路資源的極大浪費。

圖1 LTP多會話傳輸機制

為此，在發(fā)送端的處理能力、存儲空間等條件允許的情況下，可在會話1中的綠數(shù)據(jù)段發(fā)出后準備開啟會話2。同樣地，在會話2的數(shù)據(jù)塊Block2發(fā)送完后開啟會話3，并以此方式依次開啟多個會話并發(fā)傳輸，充分利用等待接收報告RS的空閑期，可大大提高深空信道的利用率。理論上來說，雖然可通過不斷開啟新的會話獲得更大的吞吐量，但是實際深空通信節(jié)點的存儲及處理能力都是嚴重受限的。因此，只能開啟有限的并發(fā)會話數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)聚合方法

目前，深空通信的業(yè)務類型日趨多樣，載荷性能不斷增強，遙測數(shù)據(jù)日益增多，這為深空環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸帶來了新的挑戰(zhàn)。在實際任務中，采用何種協(xié)議體系傳輸，以及將數(shù)據(jù)分割為多大的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit, PDU)來匹配信道特性，是一個需要考慮的問題。

通常在DTN協(xié)議體系中，應用數(shù)據(jù)首先在BP層被分割為具有一定長度的“Bundle”，并經(jīng)由DTN節(jié)點不斷向LTP匯聚層轉(zhuǎn)發(fā)；其次，LTP匯聚層通過服務數(shù)據(jù)聚合(Service Data Aggregation, SDA)的方式，按照傳輸需求將一個或多個Bundle打包成一個數(shù)據(jù)塊Block；最后，LTP再根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定的MTU，將Block分割成多個一定長度的數(shù)據(jù)段(Segment)，并將其作為基本的數(shù)據(jù)傳輸單元。

深空通信的一個突出特點就是上下行傳輸速率非對稱，速率比可達1:1000，上行鏈路難免會對回復RS帶來較大的時延。有時，應用數(shù)據(jù)在BP層被分割為很多個小的Bundle，并要求為每個Bundle單獨回復，如果一個數(shù)據(jù)塊Block僅封裝一個如此小的Bundle的話，接收端產(chǎn)生的回復RS數(shù)就會增多，容易導致回復的接收報告RS得不到及時傳輸，并不斷累積繼而產(chǎn)生擁塞，嚴重影響到數(shù)據(jù)傳輸效率。在這種情況下，為了保證RS的及時傳輸，必須減少產(chǎn)生的RS數(shù)目，需要將BP層產(chǎn)生的多個小Bundle聚合為一個大的數(shù)據(jù)Block，以此降低回復的RS數(shù)目，減輕上行信道的壓力。

基于以上分析，提出了一種面向深空通信的LTP數(shù)據(jù)聚合方法，如圖2所示。首先，要傳輸?shù)脑磾?shù)據(jù)在BP層被分成多個小Bundle；然后，LTP通過SDA將多個Bundle聚合為一個Block；最后，按照數(shù)據(jù)鏈路層的MTU將Block 分割為多個Segment。究竟將多少個小Bundle聚合為一個Block，以此提高深空環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸效率，是接下來要討論的問題。

圖2 數(shù)據(jù)聚合方法

3 LTP多會話數(shù)據(jù)聚合策略

下面結(jié)合多會話傳輸機制及數(shù)據(jù)聚合方法，對LTP多會話數(shù)據(jù)聚合過程進行數(shù)學分析，并仿真驗證。

3.1 多會話數(shù)據(jù)聚合過程及數(shù)學分析

為了分析方便，做出如下假設(shè)：

1)不考慮收發(fā)節(jié)點的存儲能力；

2)EORP、CP、RS及RA錯誤概率為0；

3)數(shù)據(jù)塊大小相同，會話間無等待時延；

4)接收端每次只產(chǎn)生一個回復報告RS；

5)無前向糾錯機制。

文中分析用到的記號規(guī)定見表1。

表1 符號定義

LTP多會話數(shù)據(jù)聚合過程如圖3所示。可見，在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，當會話S1中的EORP/CP發(fā)送完畢后，發(fā)送端無需等待回復的信息，可立即開啟會話S2，并依次開啟S3等多個會話，且每個會話數(shù)據(jù)塊Block長度一樣，都由一定數(shù)目的小Bundle聚合而成，且滿足LBlock=N·LBundle。當會話數(shù)據(jù)塊中的EORP/CP到達接收端后，就會觸發(fā)接收端回復RS，發(fā)送端在收到RS后就會啟動重傳過程，重傳的數(shù)據(jù)如圖3中的黑塊所示，所需的重傳回合數(shù)可視具體情況設(shè)定。每個會話皆按前述LTP單會話的過程將數(shù)據(jù)可靠傳輸，直至全部會話結(jié)束。

如前所述，聚合而成的數(shù)據(jù)塊Block依據(jù)鏈路層的MTU大小，被分割為多個一定長度的數(shù)據(jù)段Segment，并以此為單位進行傳輸。假設(shè)會話中每個數(shù)據(jù)段的錯誤概率恒定，在整個多會話數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收報告RS均以會話“數(shù)據(jù)塊”的粒度產(chǎn)生，其大小由數(shù)據(jù)塊所含紅數(shù)據(jù)量的多少決定。在重傳階段中，由于是以“數(shù)據(jù)段”的粒度實現(xiàn)可靠傳輸?shù)模貍鲾?shù)據(jù)量的多少由數(shù)據(jù)段的長度及數(shù)量決定。

下面以會話S1和S2為例，簡要分析多會話數(shù)據(jù)聚合過程。在會話S1中，接收端在收到EORP后，需要產(chǎn)生回復用的接收報告RS，其長度由錯誤數(shù)據(jù)的多少及范圍決定。為了分析方便，將數(shù)據(jù)段發(fā)生錯誤或丟失的錯誤概率大小，以及數(shù)據(jù)塊的長度集中映射到RS的報告長度內(nèi)，即用RS數(shù)據(jù)段的長短來表征錯誤數(shù)據(jù)量的多少。記會話S1中RS初次產(chǎn)生的時刻為初始0時刻。根據(jù)假設(shè)，會話S1與S2間無等待時延，會話S2中初次產(chǎn)生RS的時刻即為TBlock。若忽略收發(fā)兩端的排隊處理時延，為了避免RS的累積導致?lián)砣邮斩隧氉龅皆跁扴2的RS產(chǎn)生前，將會話S1產(chǎn)生的RS傳輸完畢，即滿足：

圖3 多會話數(shù)據(jù)聚合過程

TRS≤TBlock

(1)

易知，RS的發(fā)送時間為：

(2)

會話Block的發(fā)送時間為：

(3)

將公式(2)、(3)代入公式(1)，可得：

(4)

又可表示為：

(5)

定義上下行信道速率比為：

(6)

公式(5)可表示為：

(7)

可得，

(8)

綜上可見，采用多會話傳輸時，需要聚合的Bundle數(shù)目N與上下行信道速率比、RS長度及Bundle長度有著密切的關(guān)系。

3.2 仿真分析

下面通過仿真對影響B(tài)undle聚合數(shù)目的因素進行分析，討論Bundle聚合數(shù)的下界，仿真場景參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

表2 仿真場景參數(shù)設(shè)置

由圖4(a)可以看出，在地火場景中Bundle的聚合數(shù)與接收報告RS長度為線性變化，且隨CR的增大而不斷減小；在地月場景中，Bundle聚合數(shù)目因CR較大變化不太明顯。從圖4(b)可見，不管是地月還是地火場景中，在RS長度為30B的情況下，Bundle聚合數(shù)都隨Bundle長度的增大而減少，并逐漸趨于1。當Bundle長度為4KB時，不同CR(1∶50,1∶100,1∶200和1∶400)下的Bundle聚合數(shù)分別為1、1、2和3個。圖4(c)及(d)分別描述了地月、地火場景中，在不同Bundle長度情況下，Bundle聚合數(shù)與RS長度的變化關(guān)系。當Bundle長度為2KB時，Bundle聚合數(shù)隨RS長度成階梯上升變化。然而，當Bundle長度增大到16KB時，Bundle聚合數(shù)為1，這意味著Bundle較長時無需聚合。

綜上可得，當Bundle長度及CR較大時，需要聚合的Bundle數(shù)目較小甚至無需聚合；反之，當Bundle長度及CR較小時，才需采用聚合手段。既不能簡單地認為每個會話Block中僅含一個Bundle，也不能一味地通過聚合來減輕上行信道壓力，需要根據(jù)實際傳輸需求采取合適的聚合策略。

圖4 影響B(tài)undle聚合的因素

4 結(jié)論

深空通信正朝著業(yè)務多樣化、數(shù)據(jù)海量化及傳輸網(wǎng)絡(luò)化的趨勢發(fā)展，這對提高數(shù)據(jù)傳輸效率提出了更高的要求，需要一個能容忍延時/中斷且能提供互連、互操作服務的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議體系。DTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及傳輸協(xié)議為深空通信面臨的諸多挑戰(zhàn)提供了解決方案。本文提出了一種面向未來深空通信的LTP多會話數(shù)據(jù)聚合策略，可為我國航天測控中的深空通信傳輸協(xié)議設(shè)計提供參考。下一步將結(jié)合節(jié)點存儲空間受限的實際情況，分析數(shù)據(jù)傳輸過程中存儲空間的動態(tài)變化，確定能開啟的并發(fā)會話數(shù)，對深空環(huán)境下的LTP多會話數(shù)據(jù)聚合策略進行更深入的研究。