王 洋，楊 宏，陳曉光，丁 凱

(中國空間技術研究院載人航天總體部，北京100094)

面向深空通信的DTN網(wǎng)絡跨層包大小的優(yōu)化設計

王 洋，楊 宏，陳曉光，丁 凱

(中國空間技術研究院載人航天總體部，北京100094)

基于延遲/中斷容忍網(wǎng)絡中束協(xié)議/利克里德傳輸協(xié)議(LTP)棧，提出一種用于深空通信的跨層包大小的優(yōu)化方案。該方案可以根據(jù)信道誤比特率、文件大小、信道傳播時延和鏈路數(shù)據(jù)速率等條件得到最優(yōu)的束大小、LTP塊大小和LTP段大小，最小化深空通信中的文件傳遞時延。文中針對跨層包大小對文件傳遞時延的影響進行了分析，并且給出了跨層包大小的優(yōu)化方案。同時，仿真并分析了信道誤比特率、文件大小、信道傳播時延和數(shù)據(jù)速率對最優(yōu)的LTP段大小的影響以及跨層包大小優(yōu)化方案所帶來的性能增益。理論分析和仿真結果表明，在深空通信環(huán)境中，該優(yōu)化方案可以根據(jù)特定的空間任務和環(huán)境特性優(yōu)化跨層包大小，相比于未優(yōu)化跨層包大小的方案，有效地提高了網(wǎng)絡的吞吐量。

延遲/中斷容忍網(wǎng)絡；束協(xié)議/利克里德傳輸協(xié)議棧；深空通信；優(yōu)化跨層包大小

0 引 言

延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(Delay/Disruption tolerant network, DTN)[1]是為在“挑戰(zhàn)性網(wǎng)絡”中進行數(shù)據(jù)傳輸而設計的。挑戰(zhàn)性網(wǎng)絡即具有長時延、鏈路頻繁中斷和高誤比特率的網(wǎng)絡，比如行星際網(wǎng)絡[2]和地面軍用Ad hoc網(wǎng)絡。DTN體系通過在原網(wǎng)絡協(xié)議體系的底層協(xié)議上覆蓋一個新的稱之為束協(xié)議(Bundle protocol, BP)[3]的傳輸協(xié)議來實現(xiàn)消息的存儲轉發(fā)。束協(xié)議還有一個重要的特性是可以通過保管傳輸來支持點到點的重傳，該保管傳輸功能是可選的，不是必要的。在DTN中，運行在束層下用來實現(xiàn)束交換的底層協(xié)議被叫做匯聚層協(xié)議，可以使用現(xiàn)有的地面因特網(wǎng)傳輸層協(xié)議，包括常見的TCP和UDP。利克里德傳輸協(xié)議(Licklider transmission protocol,LTP)[4-5]是專門為高延遲和斷續(xù)鏈路而設計的，是目前用于深空通信的最合適的匯聚層協(xié)議。LTP作為匯聚層協(xié)議時，協(xié)議棧的結構就是BP/LTP/鏈路層/物理層，本文簡記為BP/LTP協(xié)議棧。

隨著火星探測以及更遠距離的深空探測活動的開展，行星際網(wǎng)絡成為深空通信的必然發(fā)展趨勢，越來越多的學者關注DTN在空間通信尤其是深空通信時的應用研究[6]。文獻[7]指出BP協(xié)議不解決具體網(wǎng)絡環(huán)境中的問題，需要研究匯聚層協(xié)議來保證深空環(huán)境下端到端的可靠傳輸。文獻[8]通過試驗的手段研究了地火通信時束大小/LTP塊大小和LTP段大小對于有效吞吐量的影響。文獻[9]使用NS2軟件仿真了地火場景中束大小/延遲容忍傳輸協(xié)議包大小對有效吞吐量的影響，并提出了啟發(fā)式算法。文獻[10-11]針對無線通信DTN場景中束大小和LTP段大小對有效吞吐量的性能進行了理論建模，并提出了尋找最大化有效吞吐量的最優(yōu)包大小方案。

上述研究表明,DTN網(wǎng)絡中各層包大小會對網(wǎng)絡的有效吞吐量造成影響，但是這些研究多基于試驗的手段，缺乏通用的分析模型，并且僅有的一些理論研究或是沒有使用BP/LTP協(xié)議棧，或是建立的理論模型未針對于深空通信場景，不能被應用于采用BP/LTP協(xié)議棧的深空網(wǎng)絡。同時，不同深空任務場景對于最優(yōu)包大小的影響也沒有涉及。因此，本文關注于DTN應用于深空通信時，跨層包大小的優(yōu)化設計，以達到最小化文件傳遞時延，即最大化有效吞吐量的目的。通過分析跨層包大小對深空DTN文件傳遞時延理論模型的影響，對跨層包大小進行優(yōu)化設計。同時，仿真并分析了信道誤比特率(Bit error rate，BER)、文件大小、信道傳播時延和數(shù)據(jù)速率等因素對最優(yōu)LTP段大小的影響。最后，將該方案與未優(yōu)化跨層包大小的方案進行性能對比，該方案可以有效地縮短文件傳遞時延，提高有效吞吐量，在較高誤比特率下尤為明顯。

1 深空DTN場景描述

考慮從火星到地球的通信場景，該場景包括地面站、火星中繼衛(wèi)星、火星著陸器等系統(tǒng)，如圖1所示。為了給火星著陸器提供更長的通信時間，場景中的火星中繼使用了文獻[12]中提供的中繼星座方案。利用衛(wèi)星仿真工具箱(Satellite tool kit, STK)對上述場景中通信鏈路可見性以及鏈路時延進行了仿真。從上述火星探測場景通信鏈路仿真可以得出，火星通信網(wǎng)絡中任意兩個網(wǎng)絡節(jié)點之間并不一定時刻存在端到端路徑，且地面站與火星中繼之間的路徑傳播時延較長，通常為10 min量級，是一個典型的空間DTN網(wǎng)絡。

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，使用LTP協(xié)議作為地火骨干網(wǎng)絡的匯聚層協(xié)議，如圖2所示?；鹦侵欣^衛(wèi)星到地面站的單向傳播時延設為10min，返向鏈路數(shù)據(jù)速率為1Mbps，前向鏈路數(shù)據(jù)速率為5Kbps，前返向鏈路非對稱比為1/200，文件大小為2MBytes，BER為10-5(若無特殊說明，本文后續(xù)仿真默認采用該組參數(shù))。場景中使用的其他參數(shù)如下：束頭大小為40 Bytes，LTP段頭部大小為10 Bytes，數(shù)據(jù)鏈路層幀頭部大小為42 Bytes。

2 BP/LTP協(xié)議棧文件傳遞時延的建模分析

2.1 深空DTN中基于LTP的數(shù)據(jù)傳輸過程

DTN網(wǎng)絡中基于LTP的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊话氵^程是[13]：首先，在發(fā)送端，源文件被分割為多個束，考慮到LTP的匯聚作用，Nbundle個束被匯聚成一個LTP塊，然后按照每個LTP段的大小，每個LTP塊分割為Nseg個LTP段，再加上數(shù)據(jù)鏈路層幀頭，組裝成數(shù)據(jù)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，就不再敘述。其中,Nbundle為每個LTP塊中匯聚的束的個數(shù)，Nseg為每個LTP塊中包含的LTP段的個數(shù)。

LTP匯聚層協(xié)議可以是可靠的，此時所有的LTP段都被標記為紅色[5]，最后一個LTP段被標記為校驗點(Check point, CP)，每個CP都設置計時器，若CP的計時器超時，則發(fā)送端重發(fā)該CP。若接收端接收到該CP，則會回復一個LTP報告段(Report segment, RS)來告知發(fā)送端LTP段的接收情況，發(fā)送端收到RS后重傳丟失的LTP段。

2.2 深空DTN中基于LTP的文件傳遞時延分析

深空DTN中基于LTP的文件傳遞時延的期望值由下式給出[14]：

Tfile=Ttrans+Tprop

(1)

式中：Tfile表示文件傳遞時延的期望值，它由兩部分組成，第一部分Ttrans是具有最大重傳回合數(shù)的LTP塊的發(fā)送時間，表示為：

(2)

式中：Nblock為文件產(chǎn)生的LTP塊的個數(shù)，Nseg為每個LTP塊中包含的LTP段的個數(shù)，Tseg為每個LTP段的發(fā)送時間，pseg為每個LTP段的錯誤概率。

(3)

式中：Lfile、Lblock、Lbundle和Lbundle_header分別為文件大小、LTP塊的大小、束的大小(不包括束頭部)以及束頭部大小。Lblock由式(4)給出：

Lblock=Nbundle×(Lbundle+Lbundle_header)

(4)

式中：Nbundle為每個LTP塊中匯聚的束的個數(shù)。

pseg=1-(1-pe)8×(Lltp_seg+Ldatalink_header)

(5)

式中：pe為信道誤比特率，Lltp_seg、Ldatalink_header分別為LTP段的長度和數(shù)據(jù)鏈路層幀頭長度。

(6)

式中：Lltp_header為LTP段中LTP頭部長度。

(7)

式中：Rdata為返向鏈路數(shù)據(jù)速率。

第二部分Tprop為傳輸具有最大重傳回合數(shù)的LTP塊所用的往返傳輸時延，有

Tprop=(E(Gfile)-0.5)2Tp

(8)

式中：Tp為信道傳播時延，Gfile為隨機變量，表示文件傳遞所經(jīng)歷的傳輸回合數(shù)，有

E(Gfile)=1+

(9)

式中：pCP為CP的錯誤概率。

本文將Ttrans記為文件的發(fā)送時間，將Tprop記為文件的往返傳播時延。

3 跨層包大小對文件傳遞時延的影響分析及優(yōu)化設計

深空通信網(wǎng)絡中，通常以有效吞吐量來衡量網(wǎng)絡的效率，希望有效吞吐量越高越好，即文件傳遞時延越小越好。因此，由式(1)～(9)可知，在給定文件大小(Lfile)、信道傳播時延(Tp)、鏈路數(shù)據(jù)速率(Rdata)、誤比特率(pe)的條件下，可以對束大小(Lbundle)，LTP塊大小(Lblock)和LTP段大小(Lltp_seg)進行優(yōu)化以獲得最小的文件傳遞時延，最大化有效吞吐量性能。同時，在不同的深空任務場景下，最優(yōu)的Lbundle、Lblock和Lltp_seg很可能不同，有必要對該影響進行量化分析。

由于公式的復雜性，束大小、LTP段大小和LTP塊大小對文件傳遞時延的影響不能用求偏導數(shù)的方法獲得，可以對式(1)進行MATLAB數(shù)值仿真，來分析束大小、LTP段大小和LTP塊大小的影響。圖3～5分別給出了束大小、LTP段大小和LTP塊大小對于文件傳遞時延的影響。

首先，分析束大小對文件傳遞時延的影響。圖3給出了在不同的LTP塊大小(16KBytes、40KBytes、80KBytes、125KBytes)和LTP段大小(1400Bytes、1000Bytes、500Bytes和50Bytes)下，改變束大小對于文件傳遞時延的影響。其中，每個子圖中LTP塊大小各異。從圖3(a)～(d)可以看出，橫坐標束小于1KBytes時，每幅圖中的四條曲線均稍稍抬高(即文件傳遞時延有些許增大)，當LTP段大小為1400Bytes時(對應于每幅圖中實線)，該現(xiàn)象稍微明顯些。當束大小大于4KBytes時，文件傳遞時延不隨束大小的變化而變化，束大小的最優(yōu)值可以選取為大于4KBytes的任意數(shù)值，表示為：

Lbundle_optimal≥4 KBytes

(10)

接著，分析LTP塊大小對文件傳遞時延的影響。為了避免前向鏈路上RS的延遲，必須保證前向鏈路RS的速率小于前向鏈路的最大數(shù)據(jù)速率[15]，可以表示為：

(11)

式中：LRS為RS長度，Rack為前向鏈路數(shù)據(jù)速率。結合式(4)，Lblock必須滿足以下的約束條件：

(12)

LTP塊越大，說明任意一個給定的服務數(shù)據(jù)單元生成該塊所需要的等待時延越大，則降低了協(xié)議的響應度[16]。因此，建議LTP塊大小不能大于每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，即Lblock≤Rdata。

圖4給出了在不同的束大小(4KBytes、10KBytes、40KBytes、60KBytes)和LTP段大小(1400Bytes、1000Bytes、500Bytes和50Bytes)下，改變LTP塊大小對于文件傳遞時延的影響。其中，每個子圖中束大小各異。從圖4可以看出，不論束大小和LTP段大小如何取值，隨著LTP塊大小的增大，文件傳遞時延均減小，而當LTP塊大小取最接近Rdata的數(shù)值時，每條曲線中文件傳遞時延均達到最小，此時LTP塊大小即為最優(yōu)LTP塊大小，表示為

(Lbundle+Lbundle_header)

(13)

最后分析LTP段大小對文件傳遞時延的影響。LTP段大小至少應大于LTP段的頭部長度，而最大值為數(shù)據(jù)鏈路層最大傳送單元(Maximum transfer unit, MTU)的長度減去數(shù)據(jù)鏈路層幀頭長度，即

Lltp_header

(14)

式中：Ldatalink_mtu為MTU長度。圖5給出了在不同的束大小(4KBytes、10KBytes、40KBytes、60KBytes)和LTP塊大小下，改變LTP段大小(從Lltp_header+1到Ldatalink_mtu-Ldatalink_header)對于文件傳遞時延的影響。其中，每個子圖中束大小各異。仿真結果表明，圖5中每條曲線都是一個以LTP段大小為自變量的凸函數(shù)，存在一個LTP段大小的最優(yōu)值，使得文件傳遞時延最小。例如圖5(a)中，當LTP塊大小為約20KBytes、40KBytes、80KBytes和120KBytes時，最小的文件傳遞時延分別為3104.3s、3078.8s、3057.6s和3047.9s，對應的LTP段大小的最優(yōu)值分別為41、45、48和50。從圖5可以看出，當束大小相同，而LTP塊大小不同時，對應的LTP段大小的最優(yōu)值也不同。但是當LTP塊大小取值(如120KBytes)最接近于Rdata時，在最優(yōu)的LTP段大小(50Bytes)下，得到的文件傳遞時延最小(3047.9s)，這也驗證了上面得到的LTP塊大小對文件傳遞時延的影響。不同子圖之間進行比較可以發(fā)現(xiàn)，當束大小不同(4KBytes、10KBytes、40KBytes、60KBytes)，LTP塊大小大致相同時(均約為120KBytes)，4條曲線中LTP段大小的最優(yōu)值相同，均為50Bytes，且對應的文件傳遞時延均為3046s，由此也驗證了前面得出的束大小大于4KBytes時對于文件傳遞時延沒有影響的結論。

因此，可以根據(jù)式(10)和式(13)確定出束大小最優(yōu)值和LTP 塊大小最優(yōu)值，然后代入式(1)，構成一個只有一個優(yōu)化變量(即LTP段大小)的目標函數(shù)，見式(15)。通過求解該目標函數(shù)的最小值，得到LTP段大小最優(yōu)值和文件傳遞時延的最小值。可以使用任何全局最優(yōu)化算法求解該目標函數(shù)，例如遺傳算法，粒子群算法，差分進化算法，模擬退火等，此處不予展開討論。

minTfile

s.t.Lltp_header

(15)

在特定深空任務中，待傳文件大小以及鏈路的數(shù)據(jù)速率、信道傳播時延、信道的誤比特率等條件均不相同，從式(10)、(13)、(15)可以看出，LTP段大小最優(yōu)值將會受這些參數(shù)的影響而變化，而束大小的最優(yōu)值不受這些參數(shù)的影響，LTP塊大小的最優(yōu)值僅受鏈路的數(shù)據(jù)速率影響。

4 仿真結果與數(shù)值分析4.1 不同任務場景對LTP段大小最優(yōu)值的影響分析

由第3節(jié)可知，LTP段大小最優(yōu)值需要使用優(yōu)化算法獲得，在不同的任務場景下，LTP段大小的最優(yōu)值不同。因此，本節(jié)將針對不同的誤比特率、文件大小、鏈路數(shù)據(jù)速率以及信道傳播時延對LTP段大小的最優(yōu)值產(chǎn)生的影響進行分析。仿真中選擇束大小最優(yōu)值為60KBytes，LTP塊大小最優(yōu)值為120 KBytes。

4.1.1 信道誤比特率對LTP段大小最優(yōu)值的影響分析

圖6給出了在不同文件大小時，改變BER大小對于LTP段大小最優(yōu)值的影響。從圖6可以看出，當文件大于70MBytes且BER大于5×10-6時，增大BER會導致LTP段大小最優(yōu)值的增大；除此之外，LTP段大小最優(yōu)值均隨著BER的增大而減小。這可以根據(jù)式(1)～(9)定性地分析：文件傳遞時延是由文件的發(fā)送時間Ttrans和文件的往返傳播時延Tprop構成的。文件的發(fā)送時間Ttrans隨LTP段大小的減小而增大，文件的往返傳播時延Tprop隨LTP段大小的減小而減小(當LTP段大小大于等于最優(yōu)LTP段大小時)。當文件較小時，文件的發(fā)送時間Ttrans較小，遠小于信道的傳播時延600s，因此文件的往返傳播時延起主導作用，此時若增大BER，則需要減小LTP段大小來降低文件的往返傳播時延，以最大化有效吞吐量。但是當文件較大(圖6中為大于70MBytes)，BER較高(如5×10-6)時，此時最優(yōu)的LTP段大小約在50～100Byts之間，可以計算出文件的發(fā)送時間Ttrans較大，約為430s。此時若減小LTP段大小，則會造成文件平均發(fā)送時間的增加遠遠大于由于LTP段大小減小所帶來的文件的往返傳播時延的減小，因此BER增大時，LTP段大小的最優(yōu)值會增大。

4.1.2 文件大小對LTP段大小最優(yōu)值的影響分析

文中假定在2Tp時間內，所有的文件數(shù)據(jù)都被發(fā)送出去，并且已經(jīng)在信道中，因此文件大小小于等于2Tp×Rdata=150MBytes。選取文件大小從10MBytes到150MBytes，步長為10MBytes。圖7給出了在各個BER條件下，文件大小對于LTP段大小最優(yōu)值的影響。由仿真結果可知，在各個BER條件下，隨著文件大小的增大，LTP段大小最優(yōu)值均增大。這是因為文件發(fā)送時間Ttrans隨著文件大小的增大線性增長，而文件的往返傳播時延Tprop隨著文件大小的增大近似于對數(shù)增長[14]。文件大小增大，會導致文件發(fā)送時間Ttrans的增大程度大于文件的往返傳播時延Tprop的增大程度，因此文件發(fā)送時間Ttrans占整個文件傳遞時延的比例相比于以前得到提升，LTP段大小的最優(yōu)值會增大。

4.1.3 鏈路數(shù)據(jù)速率對LTP段大小最優(yōu)值的影響分析

圖8給出了改變鏈路數(shù)據(jù)速率對于LTP段大小最優(yōu)值的影響，其中文件大小為10MBytes，鏈路數(shù)據(jù)速率從125KBytes/s增加到1250KBytes/s，步長為125KBytes/s(此時LTP塊大小的最優(yōu)值也隨之變化)。從圖8可以看出，在BER為10-7時，隨著數(shù)據(jù)速率的增大，LTP段大小最優(yōu)值明顯減小，但是在其他BER條件下，LTP段大小最優(yōu)值的變化并不明顯。

4.1.4 信道傳播時延對LTP段大小最優(yōu)值的影響分析

圖9給出了改變信道傳播時延對最優(yōu)LTP段大小的影響，其中文件大小為10MBytes，信道傳播時延從10 min增加到18 min，步長為1 min。從仿真結果可以看出，信道傳播時延對LTP段大小最優(yōu)值的影響與第4.1.3節(jié)類似。

4.2 跨層包大小優(yōu)化方案性能對比

表1 方案序號及描述Table 1 Description of schemes

5 結 論

DTN支持具有斷續(xù)連接、大時延、高誤比特率等特征的挑戰(zhàn)性網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，為我國未來深空探測網(wǎng)絡發(fā)展面臨的難題提出了有效的解決途徑。本文基于深空DTN中BP/LTP文件傳遞時延模型，分析了跨層包大小對于模型的影響，提出了優(yōu)化跨層包大小的方案。同時，仿真并分析了任務和環(huán)境因素對跨層包大小最優(yōu)值的影響以及跨層包大小優(yōu)化方案帶來的性能增益。仿真結果表明，本文提出的跨層包大小優(yōu)化方案，在地火場景誤比特率分別為10-6、5×10-6和10-5時，相比于未優(yōu)化包大小的方案，可分別縮短7.8%、39.8%和47.6%的文件傳遞時延，大大提高了有效吞吐量。

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王 洋 (1984- )，女，博士生，主要從事航天器通信與測控，深空通信網(wǎng)絡設計方面的研究。

通信地址：北京市5142信箱343分箱(100094)

電話: (010)68747242

E-mail: happyangw@163.com

(編輯：牛苗苗)

Optimization Design of Cross-Layer Packet Sizes in Deep Space Delay/Disruption Tolerant Network

WANG Yang, YANG Hong,CHEN Xiao-guang,DING Kai

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

In view of Bundle Protocol/Licklider Transmission Protocol(BP/LTP) stack in delay/disruption tolerant network (DTN), a cross-layer packet-size optimization scheme is proposed in deep space communications. The optimal bundle size, LTP block size and LTP segment size are obtained to minimize the file delivery time in deep space communications, based on the channel bit error rate (BER), the file size, the channel propogation delay, and the link data rate. The effect of the cross-layer packet sizes on the file delivery time is analyzed, and the cross-layer packet-size optimization scheme is presented. Meanwhile, the impact of the channel BER, the file size, the channel propogation delay, and the link data rate on the optimal LTP segment size is simulated and analyzed, as well as the performance gains of the cross-layer packet-size optimization scheme. The theoretical analysis and simulation results indicate that the proposed scheme can optimize the cross-layer packet sizes under certain space missions and circumstances, which effectively improves the throughputs over the scheme with the common packet sizes.

Delay/disruption tolerant network; BP/LTP protocol stack;Deep space communications;Cross-layer packet-size optimization

2016-09-19;

2017-02-27

載人航天領域預先研究項目(020401)

TP393

A

1000-1328(2017)05-0533-09

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.05.012