深空DTN網(wǎng)絡(luò)中LTP協(xié)議的額外傳輸開銷優(yōu)化

王洋 楊宏 陳曉光 丁凱

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

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深空DTN網(wǎng)絡(luò)中LTP協(xié)議的額外傳輸開銷優(yōu)化

王洋 楊宏 陳曉光 丁凱

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

針對深空延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)能量資源有限，而利克里德傳輸協(xié)議(LTP)段大小對額外傳輸開銷影響明顯，需要確定最優(yōu)的LTP段大小的問題，文章分析了深空DTN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過程，利用深空DTN網(wǎng)絡(luò)中額外傳輸開銷的數(shù)學理論模型，通過求導的方法計算出了LTP段大小的最優(yōu)值，并得到了最優(yōu)化問題的解析解。數(shù)值仿真結(jié)果表明：通過解析解表達式得到的LTP段大小的最優(yōu)值與該最優(yōu)化問題的數(shù)值解重合，在深空通信時采用此方法，可快速精準地選擇LTP段大小，也可大幅減小額外傳輸開銷。

延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)；利克里德傳輸協(xié)議；深空通信；段大小優(yōu)化；額外傳輸開銷；解析解

1 引言

深空網(wǎng)絡(luò)是由深空行星網(wǎng)絡(luò)、過渡軌道器網(wǎng)絡(luò)、地球網(wǎng)絡(luò)等互連組成的空間網(wǎng)絡(luò)，旨在為深空任務(wù)提供數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)及探測器和深空軌道器的導航業(yè)務(wù)。深空網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)相比，具有明顯的區(qū)別：長傳播時延、斷續(xù)的鏈路連接、非對稱的帶寬、極高的鏈路誤碼率等，這都使得在地面上運行良好的傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)不能應(yīng)用于深空網(wǎng)絡(luò)[1-2]，因此，延遲中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)應(yīng)運而生[3-4]。DTN通過在原網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的底層協(xié)議上覆蓋一個新的稱之為束協(xié)議(BP)[5]的傳輸協(xié)議來實現(xiàn)消息的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。運行在BP協(xié)議下用來實現(xiàn)束交換的底層協(xié)議被叫做匯聚層協(xié)議，利克里德傳輸協(xié)議(LTP )協(xié)議[6-7]是專門為高延遲和斷續(xù)鏈路而設(shè)計的匯聚層協(xié)議。

航天器在空間探測尤其是深空探測中，由于能量資源非常有限，因此需要研究降低額外傳輸開銷的方法。目前已有大量降低DTN網(wǎng)絡(luò)中額外傳輸開銷性能的研究[8-12]。這些研究表明，在DTN網(wǎng)絡(luò)中，束大小對于額外傳輸開銷影響不大，而LTP段大小的影響明顯。但已有研究多數(shù)采用試驗的手段對LTP段大小的影響進行定性分析或者使用啟發(fā)式算法求解LTP段大小的最優(yōu)值，且多數(shù)不是針對于深空通信場景。在深空DTN網(wǎng)絡(luò)中，考慮最小化額外傳輸開銷時，缺乏LTP段大小最優(yōu)值的解析表達式。

因此，本文基于額外傳輸開銷的理論模型和最優(yōu)化問題，通過求導的方式，分析了LTP段大小的取值對于額外傳輸開銷的影響，求出了LTP段大小最優(yōu)值的解析表達式，分析了誤碼率對LTP段大小最優(yōu)值的影響。在地球-火星通信場景不同誤碼率下進行仿真，對LTP段大小最優(yōu)值的解析解與以往文獻得到的數(shù)值解進行比較，驗證了該解析解表達式的正確性。同時，比較了使用該解析解表達式得到的最優(yōu)LTP段大小時需要的額外傳輸開銷與使用常用LTP段大小時需要的額外傳輸開銷，驗證了LTP段大小對于額外傳輸開銷的影響。

2 深空DTN網(wǎng)絡(luò)額外傳輸開銷的理論模型

本節(jié)首先給出深空DTN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過程，包括DTN網(wǎng)絡(luò)中各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)分割與封裝機制及LTP協(xié)議的重傳機制。隨后，依據(jù)深空DTN網(wǎng)絡(luò)額外傳輸開銷的理論模型，并通過分析數(shù)據(jù)傳輸過程，將LTP段大小對于理論模型的影響進行了定性的分析。

2.1 深空DTN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過程

在深空DTN網(wǎng)絡(luò)中各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元分割與封裝過程如圖1所示：在發(fā)送端，源文件被分割為多個束，考慮LTP的匯聚作用，M個束會被匯聚成一個LTP塊，每個LTP塊再分割為L個LTP段，再加上鏈路層幀頭，組裝成鏈路層幀傳給物理層進行傳輸。接收端的接收過程與此相反。

圖1 DTN中各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元分割與封裝示意圖Fig.1 PDU encapsulations and segmentations in DTN

現(xiàn)介紹LTP協(xié)議的重傳機制。每個LTP塊包含兩部分，每部分的大小均可為0。第一部分叫做“紅色部分”，使用應(yīng)答和重傳來保證可以被接收端成功地接收。LTP塊的另一部分叫做“綠色部分”，包含不可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。紅色部分的最后一個數(shù)據(jù)段被標記為校驗點(Checkpoint,CP)，接收端收到CP后將會反饋一個相應(yīng)的報告段(Report Segment,RS)給發(fā)送端。如果LTP塊中紅色部分被正確接收，則RS是一個肯定的應(yīng)答，否則該RS是一個否定的應(yīng)答，丟失的數(shù)據(jù)將會重傳。發(fā)送端接收到了RS，則回復一個報告應(yīng)答段(Report Acknow-ledgment,RA)給接收端來響應(yīng)該RS。RSs和CPs都是基于定時器的，如果相應(yīng)的定時器超時，則會重傳RSs和CPs。

2.2 深空DTN網(wǎng)絡(luò)額外傳輸開銷的理論模型

文獻[12]中研究深空DTN網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷的理論模型，定義額外的傳輸開銷Wextra為總共傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量Wt與信息數(shù)據(jù)量Ws間的差值和信息數(shù)據(jù)量Ws的比值，即

(1)

額外的傳輸開銷Wextra由額外的重傳開銷Wr和額外的協(xié)議開銷Wo兩部分組成，表示為

(2)

(3)

Wextra=Wr+Wo

(4)

式中：Ll為LTP段大小，Llh和Llm分別為LTP段頭部大小和LTP段中元數(shù)據(jù)的大小。Ldh為數(shù)據(jù)鏈路層的頭部大小，Lb為束大小(不包括束頭)，Lbh為束的頭部大小。pseg為數(shù)據(jù)鏈路層的誤幀率，見式(5)

pseg=1-(1-pe)8(Ll+Ldh)

(5)

式中：pe為鏈路誤碼率。

由式(1)～(5)可以看出：當段大小較短時，每段因誤碼而需重發(fā)的概率又較低，重傳開銷較小；但是分段多了，協(xié)議包裝的開銷卻會較大。因此為了減小額外開銷存在一個合理優(yōu)化的問題，即需要選擇一個LTP段大小的最優(yōu)值。

3 LTP段大小最優(yōu)值設(shè)計

本節(jié)將LTP段大小對于額外傳輸開銷的影響歸結(jié)為最優(yōu)化問題，通過求導的方式推導出LTP段大小最優(yōu)值的解析表達式。

3.1 最優(yōu)化問題的提出

由式(2)、(3)和(4)可以看出，在給定誤碼率和各層包頭大小的條件下，傳輸給定文件時，額外傳輸開銷Wextra僅與LTP段大小Ll有關(guān)(已有文獻[8-9，11-12]表明束大小Lb對其影響可以忽略)，因此，可以將LTP段大小對于額外傳輸開銷的影響歸結(jié)為一個帶約束的非線性最優(yōu)化問題，使用最優(yōu)化算法例如模擬退火算法[13]可以求解最優(yōu)化問題。首先，確定目標函數(shù)和約束條件，目標函數(shù)為Wextra(Ll)。優(yōu)化問題描述如下：

s.t.Llh+Llm

(6)

考慮到目前LTP段大小最大值為1400byte(這是目前文獻[8-12]中經(jīng)常使用的一種配置)。通過上述最優(yōu)化問題的求解，可以得到一定誤碼率條件下，LTP段大小最優(yōu)值的數(shù)值解，此時得到的目標函數(shù)值是最小的額外傳輸開銷。

3.2 LTP段大小最優(yōu)值的解析解

使用最優(yōu)化算法求解最優(yōu)化問題得到數(shù)值解，收斂較慢且不精確，因此，下面計算出了最優(yōu)化問題的解析解。將式(4)對Ll求導，可以得到

(7)

令式(7)為0，可得到函數(shù)Wextra(Ll)的駐點為

(8)

當pe很小時，ln(1-pe)≈-pe，且Ldh、Llh和Llm為頭部和元數(shù)據(jù)大小，均很小(小于10byte)，所以式(8)可以簡化為

(9)

上述兩種情況可以表示為

(10)

由式(10)可以看出，LTP段大小的最優(yōu)值僅與深空信道的誤碼率有關(guān)，與其他因素比如文件大小、鏈路速率或者信道傳播時延均無關(guān)。

本節(jié)中根據(jù)理論模型求最優(yōu)值解析解的方法適用于一般的同等QoS數(shù)據(jù)傳輸過程，可以用于使用其他匯聚層協(xié)議的DTN場景。

4 仿真結(jié)果與討論

4.1 仿真場景描述

從火星到地球的通信系統(tǒng)包括地面站、火星中繼衛(wèi)星、火星著陸器等，如圖2所示。為了給火星著陸器提供更長的通信時間，火星中繼使用了文獻[14]中提出的中繼星座方案。假設(shè)火星著陸器降落在火星蓋爾隕坑附近，具體位置為火星的5.45°(S)、137.8°(E)，地球站分別位于我國東西兩端的喀什和佳木斯。利用STK軟件，對上述場景中通信鏈路可見性及鏈路時延進行了仿真，仿真起始時間為2017年6月1日。通過仿真可以得出，火星通信網(wǎng)絡(luò)中任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間并不一定時刻存在端到端路徑，且地球站與火星中繼之間的路徑傳播時延較長，通常為10分鐘量級，是一個典型的空間DTN網(wǎng)絡(luò)。

圖2 火星到地球的通信Fig.2 Mars to earth communication scenario

設(shè)計地球-火星通信中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖3所示，紅色邊框部分表示通信網(wǎng)絡(luò)是由地球-火星骨干網(wǎng)絡(luò)和火星著陸器接入網(wǎng)絡(luò)組成。在地面站、火星中繼衛(wèi)星、火星著陸器等節(jié)點上使用DTN協(xié)議棧，DTN協(xié)議棧利用BP協(xié)議(圖3中黃色部分)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，能夠較好地解決長時延和間歇鏈路導致的問題，適用于地球到月球乃至更遠距離的深空通信。DTN協(xié)議棧中使用LTP協(xié)議作為空間鏈路的匯聚層協(xié)議，可以支持具有長鏈路時延、高誤碼率、信道非對稱等特點的深空鏈路的可靠通信?；鹦侵欣^衛(wèi)星到地球站的單向傳播時延設(shè)為10 min，返向鏈路數(shù)據(jù)速率為2 Mbit/s，前向數(shù)據(jù)鏈路僅用來傳輸小的RSs，速率為4 kbit/s，即非對稱速率比為500∶1。場景中使用的其他參數(shù)如下：束大小為80 kbyte，束頭大小為40 byte，LTP塊中全為紅色可靠數(shù)據(jù)，LTP塊大小為240 kbyte，LTP段中頭部和元數(shù)據(jù)大小共為10 byte，數(shù)據(jù)鏈路層幀頭部大小為6 byte。信道誤碼率采用1×10-5，5×10-6，1×10-6和1×10-7，發(fā)送文件的大小從1 Mbyte變化到100 Mbyte，步長為1 Mbyte。

圖3 地球-火星通信場景中DTN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧Fig.3 DTN protocol in Mars to earth communication scenario

4.2 結(jié)果對比分析

設(shè)文件大小為1 Mbyte，將式(10)中最優(yōu)化問題的解析解與使用優(yōu)化算法(3.1節(jié))得到的最優(yōu)化問題的數(shù)值解進行比較，如圖4所示。圖4中橫坐標為誤碼率，取值分別為1×10-5，5×10-6，1×10-6和1×10-7，縱坐標為最優(yōu)LTP段大小的數(shù)值。其中紫色圓圈代表了在各個誤碼率下的最優(yōu)LTP段大小的數(shù)值解，而黑色五角星代表了在各個誤碼率下的最優(yōu)LTP段大小的解析解。可以看到，這兩種方式計算得到的最優(yōu)LTP段大小重合，說明本文中式(10)的正確性。同時，變化發(fā)送文件的大小從1 Mbyte變化到100 Mbyte，步長為1 Mbyte，不會對圖4中兩種方式得到的最優(yōu)值產(chǎn)生影響。

圖4 最優(yōu)化問題的解析解與數(shù)值解的對比圖Fig.4 Comparisons of analytical solution and the numerical solution of the optimization problem

圖5分別給出了采用最優(yōu)的LTP段大小與采用常用的LTP段大小(1400 byte)時，在不同信道環(huán)境下，傳輸文件時所需額外傳輸開銷。由圖5可以看出，在信道誤碼率為1×10-5條件下，使用最優(yōu)的LTP段大小將消耗0.075 4(額外傳輸開銷)，而使用常用的LTP段大小將消耗0.132 7(額外傳輸開銷)，因此使用最優(yōu)的LTP段大小將節(jié)省43%(額外的傳輸開銷)，相比于使用常用的LTP段大小。在信道誤碼率為5×10-6條件下，使用最優(yōu)的LTP段大小相比于使用常用的LTP段大小節(jié)省了26%(額外傳輸開銷)。當信道誤碼率較低時，如為1×10-6和1×10-7，這兩種方案的性能沒有明顯差別。同時，注意到上述結(jié)論不會因為文件大小的變化而產(chǎn)生變化。

圖5 采用優(yōu)化LTP段大小和常用LTP段大小時所需額外傳輸開銷對比Fig.5 Comparisons of Wextra between the scheme with the optimal LTP segment size and the scheme with the normal LTP segment size

5 結(jié)束語

本文在分析DTN協(xié)議特性的基礎(chǔ)上，利用深空DTN網(wǎng)絡(luò)的額外傳輸開銷模型，通過求導的方式，分析了LTP段大小的取值對于額外傳輸開銷的影響，并且推導出了LTP段大小最優(yōu)值的解析表達式。建立地球-火星通信場景進行仿真驗證，結(jié)果表明，使用解析表達式得到的LTP段大小最優(yōu)值與該最優(yōu)化問題的數(shù)值解重合，驗證了解析表達式的正確性。在信道誤碼率為1×10-5和5×10-6條件下，使用LTP段大小最優(yōu)值相比于使用常用LTP段大小將分別節(jié)省43%和26%的額外傳輸開銷。本文推導出的LTP段大小最優(yōu)值的解析表達式為未來深空探測組網(wǎng)通信時LTP協(xié)議設(shè)計實現(xiàn)提供了優(yōu)化依據(jù)，尤其適用于星上能量資源稀缺的場景。同時需要指出，在深空DTN網(wǎng)絡(luò)中，當關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量而非能量資源時，需要重新考慮LTP段大小的優(yōu)化設(shè)計，這將是后續(xù)的研究內(nèi)容。

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(編輯：李多)

Optimization in Terms of Extra Transmission Effort of LTP Protocol in Deep Space DTNs

WANG Yang YANG Hong CHEN Xiaoguang DING Kai

(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

The available energy resources in deep space Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) are very limited,and the Licklider transmission protocol (LTP) segment size has an obvious impact on the extra transmission effort,so it is essential to determine the optimal LTP segment size. In this paper,the data transmission process of deep space DTN is analyzed firstly. Then,based on the theoretical model of extra transmission effort,analytical solution of the optimization problem known as the optimal LTP segment size is computed by introducing the derivative of extra transmission effort with respect to LTP segment size.The simulation results show that the optimal LTP segment sizes achieved by the expression of the analytical solution and the numerical solution of the optimization problem coincide. This method can provide a fast and accurate solution to the selection of the LTP segment size,and save the extra transmission effort efficiently in the deep space communications.

delay/disruption tolerant network(DTN); Licklider transmission protocol(LTP); deep space communications; segment-size optimization; extra transmission effort; analytical solution

min:Wextra(Ll)

2017-02-07；

2017-04-07

王洋，女，博士研究生，研究方向為深空通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。Email：happyangw@163.com。

TP393

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.012