深空中继通信束聚合效能研究

赵 扬，陶孝锋，荆元利，张大鹏

1 引言

传统的地面传输协议已经不能满足高延迟、高误码、非对称带宽、断续链路的深空通信环境，需要研究深空通信协议为远离地球的航天器、航天员回传数据提供可靠保障。空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)总结了4种可用于空间网络的协议构架：自定义网络协议、CCSDS的CFDP协议、IP协议和延迟容忍网络(Delay/Disruption Tolerant Network，DTN)。 其中 DTN 被认为是最适合作为空间网络互连的协议构架[1]。DTN体系构架的核心是束协议(Bundle Protocol，BP)和利克里德传输协议(Licklider Transmission Protocol，LTP)。

目前国际标准制定机构已制定出部分DTN相关标准，如ITEF(the Internet Engineering Task Force)[2-5]及 CCSDS[6-7]。科研人员对 BP/LTP协议进行了分析及仿真。Wang等[8]通过JPL实验室的ION软件搭建仿真平台，在不同传播时延与误码率条件下对地月通信中使用BP/LTPCL、BP/TCPCL、BP/UDPCL协议的性能进行仿真，得出LTPCL在传播延迟大于4 s或误码率高于10-5时，性能明显优于TCPCL，且整体性能优于UDPCL；Nikolaos等[9]在BP层不采取聚合策略推导出了LTP协议下束的重传次数与误码率、LTP分段大小间的概率关系；Burleigh[10]认为确认链路带宽一般较小，推荐将多个BP束进行聚合，作为一个数据块进行传输，以降低回复应答的数量，避免回复链路阻塞，提高DTN网络的传输效率；Nikolaos等[11]通过包含真实卫星链路及ION软件的仿真测试床，对地球与火星间的数据传输DTN网络性能进行仿真，重点关注LTP分段大小、BP束大小对传输时间、节点内存占用、额外开销等指标的影响，并提出与文献[10]相反的论断：将多个BP束聚合到一个数据块，利用LTP传输的策略是无用的；Yu等[12]基于ION搭建的仿真平台针对非对称信道上DTN网络传输吞吐量进行仿真，提出由于确认链路带宽极低引起的LTP协议接收方对数据段的确认消息(Report Segment，RS)阻塞导致DTN传输性能下降，需要采用BP束聚合传输策略，以降低RS发送数量；Hu等[13]针对深空不对称链路的特点，给出避免应答链路阻塞的最小束汇聚值的计算方法；黄天雨[14]针对中继通信环境中BP协议存储转发策略，要求必须接受完整束后才能继续转发，导致第二跳链路会出现浪费的情况，提出将BP协议中最小转发粒度由一个完整束降到下层LTP协议中的数据段，以此提高两跳传输效率，该方案与现有BP协议的设计理念不同：通过存储转发保证数据的可靠传输，非完整束传输也会带来上层数据恢复管理的困难。

现有BP/LTP协议仿真及性能分析聚焦于传输性能，关注于单会话情况，即只考虑同时发送单个LTP数据块，并且缺乏考虑中继节点对BP/LTP协议传输的影响。而实际为了充分利用链路带宽，LTP协议会尽可能多的开启会话，并发传输。目前地月、地火通信传输存在中继节点，后续更远星系探测等任务数据通信可能会有更多中继层次。针对目前研究人员对束聚合策略效能的2种不同态度[10-11]，本文考虑LTP层并发多会话传输，关注中继深空通信环境下束聚合对传输性能的影响，通过建模及数值实验在中继深空通信环境下检验束聚合策略的效能。

2 DTN网络简介

2.1 BP/LTP协议

一个典型的深空通信协议栈如图1所示[15]，BP/LTP协议为其最关键的2个协议。BP协议位于应用层与传输层间，覆盖于不同网络之上，通过调用不同汇聚层适配器实现异构网络的互联。LTP协议作为传输协议，解决Internet网络中TCP传输协议在深空时断网络中存在低效问题，可为上层提供可靠高效的数据传输服务，可运行于UDP上，也可运行在CCSDS空间链路层协议上，甚至可以直接部署于链路层上。

图1 深空中继通信DTN网络协议栈[15]Fig.1 DTN protocol stack of deep space relay communication[15]

2.2 文件划分及汇聚策略

DTN网络中发送数据划分如图2所示：应用层数据文件按照BP协议在覆盖层被划分为多个束(bundle)，各个 bundle相互独立传输。然后bundle在传输层上按照LTP协议将一个或多个bundle聚合成一个数据块(block)，LTP协议使用一个会话(session)传输一个block，为了最大化信道利用，LTP同时开启多个会话。接着依照链路层MTU要求将各个block划分为数据段(segment)，添加链路层帧头在链路层上传输。LTP协议对于要求可靠传输的数据段设置为红色数据段(red segment)，使用应答重传机制，否则设为绿色数据(green segment)。接收方在接收到带有检查点(check point，CP)标记的数据段时需回复接收报告RS，标记数据段的接收情况，所有未接收成功的数据段需要重传，每个block红色段结尾被强制标记CP，以保证红色部分数据的可靠传输。本文假设所有数据都是红色数据段，即要求可靠传输，不考虑绿色数据段情况。

图2 数据划分Fig.2 Data partition

可以看出，bundle在聚合成LTP层的block时，聚合个数m代表了聚合程度，当m=1时，表示一个block容纳一个bundle，即不聚合；当m＞1时，表示一个block容纳多个bundle，即采用聚合策略。目前LTP标准中没有聚合策略的描述[6]，即默认m=1。

表1 符号含义Table 1 Meaning of symbols

3 深空中继通信传输时延分析

3.1 LTP协议传输流程

以图1所示的典型深空中继通信两跳网络，两跳都采用BP/LTP协议为例，分析在该环境下束聚合策略对BP/LTP性能的影响。本文所用符号含义如表1所示，后文不再赘述。

传输层LTP协议将BP层的束以block为单位组织，以segment为最小颗粒传输数据，BP层接收到LTP发来的完整bundle后，为应用层组织恢复原数据。因为每个block在各自会话中独立发送，互不影响，因此这里以一个block发送交互过程为例：一个block被分为多个segment在链路层上传输，发送方在block尾标记CP，接收方需对接收情况进行反馈RS，发送方对于RS中标记的未接收segment进行重新发送，在最后一个数据段尾标记CP，以此重复交互传输直至接收方回复的RS中表明所有segment都已成功接收。发送方发送的CP段及接收方回复的RS都有可能丢失或误码，因此发送方在发送CP、接收方在发送RS后会启动定时器，当超时未接收到对方回复时，会重新进行发送，一般超时定时器设为2倍的传播时延加发送处理时延。图3给出了一个中继通信中一个block的传输过程，当中继节点接收到一个完整的block(包含若干bundle)时才能上交给BP层进行下一步操作。

1)聚合尺寸限制。当信道非对称比很高，即确认信道容量比数据信道的容量小很多，确认信道容量有限，若传输大量RS确认信息，则会造成RS确认信息的阻滞延迟。Hu等研究给出LTP协议传输文件时避免确认信道上确认信息RS延迟的计算公式[13]，如式(1)所示：

式中，mmin为LTP协议中避免确认信道上确认信息RS拥塞延迟的block数据块最小汇聚尺寸。

2)最大会话数。LTP的会话为成功传输一个block而进行的一些数据段的传输交互过程。为提高数据传输的速率和最大利用宝贵的深空通信链路资源，LTP协议能够同时开启多个会话，而不需要等到这一次会话结束才开启下一次会话。一次会话发送一个LTP数据块，在链路允许的情况下开启的会话量尽可能多。这将允许在链路上以并行的方式发送多个数据块。由于发送及接收节点的存储空间是有限的，发送方能够同时开启的会话数也是有限的。最大会话数(NOS)计算见式(2)所示：

当所有的会话都处于占用状态，后续数据块将处于等待状态，直到前面开启的会话关闭。

3.2 传输时间分析

3.2.1 单会话传输时间

对于信道误码率为Perr的无线环境，长度为Lseg的帧的误帧率Pseg=1-(1-Perr)Lseg，传输次数小于k次能成功传输的概率为k-1次全部失败的补，即Pseg(TN ＜k)=1-(1-Pseg)k-1，其中TN表示传输次数。对于一个含有n个segment的block(最后一个带有CP标记)，其在k次传输内能将所有segment成功传输的概率为(不包括CP段)Pblock(TN ＜ k)= [Pseg(TN＜k)]n-1=(1-Psegk-1)n-1，那么TN=k的概率[9]Pblock(TN=k)=Pblock(TN＜k+1)-Pblock(TN＜k)=(1-，因此一个block传输次数TN的期望见式(3)：

1)一个block发送时间Ttrans：一个block包含传输成功服从成功概率为1-Pseg的几何分布，因此

2)一个 block传播时延 Tprop_block如式(5)所示[16]：

3)CP段及 RS段超时时间如式(6)、(7)所示[16]：

由于最大会话数限制为NOS个，那么一次可发送的 block数为 NOS个，当中继节点接收到LTP协议传来的某个block的完整部分后，即可上交给BP层进行转发。每个会话独立传输，那么每个block的总传输时间在相同环境中独立同分布，即其传播时间服从独立同分布，期望值都为Tblock。

3.2.3 中继传输时间

1)当第一跳传输期望时间大于第二跳，那么整个应用数据经过中继节点到达目标节点时，中继节点会等待数据的到来，接着转发至目标节点，总传输时间期望如式(9)所示：

2)当第一跳传输期望时间小于第二跳，那么中继节点需缓存第一跳传来尚不能发送往第二跳的数据，总传输时间期望如式(10)所示：

图4 中继传输Fig.4 Relay transmission

4 数值实验

针对火星-中继卫星-地球3节点深空网络建立数值实验：火星到中继卫星传播时间平均约为600 s，中继卫星到地球传播时间约为0.12 s；业务数据传输误码率要求为 10-6；Burleigh[10]建议bundle尺寸不大于60 KB，本文选择40 KB；LTP协议的最优segment大小尽量接近链路层的MTU[11]为1500 B，本文设置为1400 B；协议中的bundle及segment头长度分别为28 B和46 B；参考余倩[16]的前反向链路速率参数设置4 Kbps及2 Mbps，本文数值实验的参数如表2所示。

表2 实验参数Table 2 Experiment parameters

依据表2参数，由式(1)可得到最小汇聚尺寸mmin，复链路不会产生拥塞。后续试验不再考虑回复链路拥塞情况。

图5、图6为单个会话中block一跳发送成功各部分占用的时间，可见在深空传输中，传播时延占据了绝大多数时间花销。随着信道误码率从10-6恶化为10-5时，CP确认段传输时间占比有所增加，因为误码率的增大引起CP段误码或丢失导致发送超时，带来2倍传播时间的定时器超时时间花销。

图5 一个blcok发送成功所需各部分时间(P err=10-5)Fig.5 Time spent on sending a block by each part(P err=10-5)

图6 一个block发送成功所需各部分时间(P err=10-6)Fig.6 Time spent on sending a block by each part(P err=10-6)

图7 为误码率为10-6信道条件下，一个会话中的数据block发送成功所用时间，可见随着束汇聚个数m的增大，每个会话需要成功传输的数据量变大，所需时间也随之变大。特别是在m从1到10之间，所需时间增速最快，原因是期望传输交互次数Eblock(TN)在开始时增长较快，导致占据时间花费的主要部分Tprop_block迅速增长。

图8为最大会话数NOS与束汇聚个数m的关系。由于BP协议的存储转发策略在成功发送完一个完整束之间节点需保存发送数据，随着m的增大，数据block变大，因此节点能同时保存的数据block个数随之降低，能开启的最大会话数NOS减少。

图7 一个block成功发送时间(P err=10-6)Fig.7 Total time spent on sending a block(P err=10-6)

图8 NOS与束汇聚个数m关系Fig.8 Relationship between NOS and m

图9 为整个文件从源经过中继发送至目的节点的时间，可以看出随着m的增大，总传输时间也随之变大(其中的波动是因为最大会话数取下整导致)。由于每次可开启NOS个会话，每批的NOS个block发送时间期望相同，因此近似的估计所有block需要的平均传输批次与束汇聚个数m无关，如式(11)所示：

总时间变化的原因是在最大化链路利用条件下，较大block的成功传输需要较多时间(图7)，在总批次不变的前提下，总时间也随之增大。

图9 文件总传输时间Fig.9 Total time spent on file transmission

图10 为不同缓存大小时的数据传输时间，可见提高节点缓存大小，能够减小总传输时间，这是因为在实验中传播时延Tprop_block是影响总传输时间的决定性因素，越大的节点缓存，可以提高最大会话数量NOS，增大并发数据量，提升链路利用，因此总传输时间随之下降。但总传输时间并不随节点缓存C的增大一直下降，因为当节点缓存增大到一定程度后，同时传输量增过大，每个会话平均可用带宽过低，数据发送时间Ttrans迅速增长成为主要因素，总传输时间此时会逐渐增大。

图10 不同节点缓存能力下的总时间花费Fig.10 Total time spent for different cache capabilities

5 结论

针对深空中继通信环境，分析了应用数据在不同束汇聚尺寸下的传输时间花费期望。

1)在节点固定缓存大小约束条件下，如果应答链路不阻塞，随着束汇聚尺寸的增大，数据传输时间花费期望随之增大，即越小的汇聚尺寸传输时间越小。因此选择保证回复链路不阻塞的最小束汇聚尺寸，能带来较高的传输效率。

2)随着节点缓存大小的增加，数据传输效率随之增高，但过大的缓存会导致并发回话数过多，带宽不足成为主要限制，数据传输效率又会逐步降低。