一種基于跨層思想的可適應時延突變的空間通信網(wǎng)絡傳輸層協(xié)議算法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種基于跨層思想的可適應時延突變的空間通信網(wǎng)絡傳輸層協(xié)議算 法，屬于衛(wèi)星通信技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著空間技術和網(wǎng)絡通信技術的進步，衛(wèi)星通信技術取得了長足的發(fā)展，而其中 的低軌道（LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于其構成特殊，使得其具備實現(xiàn)全球信號覆蓋、傳輸時延 相對小、對地面接收終端功率要求小及對地面站依賴小等一系列的優(yōu)點。因此，近些年來， 低軌道（LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)成了衛(wèi)星通信方面重點研究的網(wǎng)絡，但同時由于空間衛(wèi)星網(wǎng)絡 和地面網(wǎng)絡有很大的不同，地面網(wǎng)絡傳輸協(xié)議（TCP)在空間衛(wèi)星網(wǎng)中的性能較差，不能直 接套用地面網(wǎng)絡，需要適應空間衛(wèi)星網(wǎng)絡特點的針對性傳輸協(xié)議的出現(xiàn)。
[0003] 隨著近些年來相關協(xié)議的研究積累，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSD巧逐步建立 起一套空間通信協(xié)議標準，W適應空間通信領域。空間通信協(xié)議也正從單一的空間測控向 未來寬帶、多業(yè)務的空間、Internet方向發(fā)展。為適應空間數(shù)據(jù)傳輸和多節(jié)點空間網(wǎng)絡的 發(fā)展，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSD巧根據(jù)空間通信的特點規(guī)范了一套裁剪的Internet 協(xié)議，稱為空間通信協(xié)議組SCPS(SpaceCommunicationProtocolSpecification),空 間通信協(xié)議組SCPS已經(jīng)被國際標準化組織ISO采納為國際標準，它包括文件協(xié)議SCPS FP(FileProtocol)、傳輸協(xié)議SCPSTP(TransportProtocol)、網(wǎng)絡協(xié)議SCPSNP(Network Protocol)W及安全協(xié)議SCPSSP(Se州tityprotocol)。
[0004] SCPT-TP協(xié)議是傳輸層協(xié)議，提供指令和數(shù)據(jù)包可靠地端到端傳輸，并控制傳輸速 率，避免擁塞，維持鏈路帶寬利用率。傳輸層協(xié)議SCPS-TP針對空間衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中時延 較大、誤比特率高導致的數(shù)據(jù)包易丟失、通信間斷等特點，選擇和改進TCP協(xié)議中的部分機 審Ij。SCPS-TP協(xié)議可W選用VanJacobson和Vegas兩種擁塞避免機制。
[0005]Van化cobson和Vegas兩種擁塞避免機制都是采用基于窗口的傳輸速率控制方 式，為充分利用帶寬并避免擁塞，應使窗口尺寸接近于鏈路的帶寬時延積抓P炬andwi化h DelayPro化ct)。Van化cobson機制包括慢啟動和擁塞避免。慢啟動階段，發(fā)送窗口增長 與往返時間RTT(RoundTripTime)有關，呈指數(shù)關系增長，當窗口增長到慢啟動闊值后，進 入擁塞避免階段，防止數(shù)據(jù)發(fā)送速率過快導致?lián)砣霈F(xiàn)，窗口增長按照線性方式遞增。直到 發(fā)現(xiàn)丟包出現(xiàn)，即認為出現(xiàn)擁塞，窗口縮小為初始值，重新進入慢啟動階段。而Vegas機制 則是通過測量往返時間RIT的變化來比較預期的數(shù)據(jù)傳輸速率與實際速率，而后調(diào)整窗口 的大小。Vegas機制將觀測到的最小的往返時間RIT作為基準往返時間RTTbad。，由當前觀 測到的往返時間RIT和窗口尺寸CW計算5的值，5的計算公式如下所示；
[0006] 6二民 RTT
[0007] 而后確定兩個口限值a和Ma<e，一般分別取值為1和3)。如果5<a，那么 負載輕，窗口小，可W繼續(xù)增大窗口直到鏈路的帶寬時延積抓P。如果5〉0，則是當前的發(fā) 送速率已經(jīng)足夠快，認為當前網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包排隊時間增大，因此，發(fā)送窗口將減小W避免 擁塞出現(xiàn)。
[000引對于低軌道（LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，端到端時延相對地面?zhèn)鬏攣碚f仍然很長， 較長的傳輸時延會導致發(fā)送端收到接收端反饋和進行速率調(diào)節(jié)所需要的時間都較長。而 Van化cobson機制總處于加速和減速的循環(huán)中，長時延導致反映有延遲，因此，會影響總體 性能。而Vegas機制具備一定的自我預測能力，可W主動進行調(diào)整。因此對于較長的時延 來說，Vegas機制相對性能更好些。
[0009] 同時，低軌道（LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)除了傳輸時延較長之外，還具有其他的特性。低 軌道（LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)拓撲結構不穩(wěn)定、變化頻繁、內(nèi)部節(jié)點變化快、路由選擇和路由重 構都較多。該些都造成端到端傳輸?shù)乃查g時延變化較劇烈，即往返時間RIT瞬時變化較快， 會導致性能的降低甚至出現(xiàn)錯誤。因此，針對低軌道（LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)拓撲機構不穩(wěn)定， 路由重構多的特性，對SCPS-TP協(xié)議的Vegas機制進行改進，完善擁塞避免機制，改善空間 傳輸協(xié)議，提高LEO通信網(wǎng)絡的整體性能。
[0010] 對于Vegas機制來說，最為關鍵的是準確及時檢測到往返時間RTT的突然變化情 況。而往返時間RIT突變的情況一般由兩種原因造成。一是路由不變，只是跳數(shù)的變化。二 是路由重構造成。該兩種情況都使得RIT突然變大或變小，Vegas機制難W判斷往返時間 RTF突變的原因，引發(fā)的變化使得整體網(wǎng)絡通信性能下降。
[0011] 我們針對該兩種原因具體分析對通信性能的影響：
[0012] 一、路由重構
[0013] 在低軌道（LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于拓撲結構不穩(wěn)定，節(jié)點的移動速度快，路由 重構的發(fā)生非常頻繁，因此，不能夠忽略路由重構對于傳輸協(xié)議的影響。在路由重構發(fā)生 時，往返時間RTT的值應當由新路由的往返時間RTT'和路由重構時間（re-route-time)兩 部分組成。發(fā)送端只是監(jiān)測到往返時間RTT的變化，并不能確定是引起往返時間RIT變化 的原因，因此，也不能轉(zhuǎn)卻判斷路由變化的具體情況。
[0014] 當出現(xiàn)往返時間RTT變大情況時，由Vegas機制避免擁塞出現(xiàn)，會縮小窗口，但是 往返時間RTT的變大有可能會是因為路由擴增引起的，而路由擴增時，可W增加帶寬吞吐 量即擴大窗口W保持較高效率的傳輸性能。因此，根據(jù)Vegas機制作出的反應與正確所需 正好相反，會導致吞吐量惡化，傳輸效率降低。而當往返時間RIT突然變小時，基準往返時 間RTTbad。也會更新變小，RTTbask等于當前的往返時間RTT。因此，此時的5 =0。該樣會 導致窗口增大。發(fā)送端監(jiān)測不到有可能會是路由縮減造成往返時間RIT變化，因此，會容易 導致?lián)砣某霈F(xiàn)。
[0015] 當路由變化導致的往返時間R1T變大時，基準往返時間RTTba,i。不能夠及時更新， 難W監(jiān)測出路由擴增造成的往返時間RIT變化，因此，會降低吞吐量。當路由變化導致的往 返時間RTT變小時，基準往返時間RTTba,i。又因為更新太激進，容易導致?lián)砣某霈F(xiàn)。因此， 路由重構造成網(wǎng)絡性能下降或錯誤反應主要因為不能對基準往返時間RTTbad。進行準確更 新。
[0016] 二、路由不變，跳數(shù)變化
[0017] 路由不變，跳數(shù)增加，會導致傳輸路徑突然變大，導致往返時間R1T會明顯變大， 會導致5變大。該樣根據(jù)Vegas機制避免擁塞作用，會縮小窗口，減小吞吐量。該樣的反 應是錯誤的，降低網(wǎng)絡的傳輸效率。路由不變，跳數(shù)減小，會導致傳輸路徑突然變小，導致 RTT會明顯變小，5也會變小。根據(jù)Vegas機制避免擁塞作用，會擴大窗口，擴大吞吐量。 該樣的反應也會導致錯誤，路徑減小，吞吐量增大，會增加擁塞出現(xiàn)的可能。W上兩種因為 跳數(shù)的突然變化導致的傳輸時延的變化在發(fā)送端是監(jiān)測不出來的，發(fā)送端只是把時延的變 化視為排隊等待的時間變化，因此，難W準確的應對該種突然的時延變化，出現(xiàn)的反應也會 錯誤。
[0018] 目前，現(xiàn)有的SCPS-TP協(xié)議不能夠準確判斷跳數(shù)變化和路由重構帶來的往返時間 RIT的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明公開了一種基于跨層思想的可適應時延突變的空間 通信網(wǎng)絡傳輸層協(xié)議算法；
[0020] 本發(fā)明對現(xiàn)有的Vegas機制進行改進，對網(wǎng)絡層協(xié)議即SCPS-NP協(xié)議包頭信息進 行調(diào)整，準確判斷往返時間RIT變化的原因，是因為擁塞還是因為跳數(shù)變化或路由重構，修 改基準往返時間RTTbasi。，完善傳輸層協(xié)議SCPS-TP協(xié)議。
[0021] 本發(fā)明的技術方案為；
[0022] 一種基于跨層思想的可適應時延突變的空間通信網(wǎng)絡傳輸層協(xié)議算法，SCPS-NP 協(xié)議化ader字段增加一個表項RC，所述SCPS-NP協(xié)議化ader字段是指SCPS-NP協(xié)議的包 頭信息，空間通信網(wǎng)絡的發(fā)送端與接收端之間的中間節(jié)點路由表增加一個表項RC，SCPS-NP 協(xié)議化ader字段的表項RC及路由表中的表項RC的初始值均為"false",路由表中的表項 RC表示中間節(jié)點路由的變化情況，所述變化情況包括路由擴張、縮減及不變，當路由擴張、 縮減時，所述路由表中的表項RC的值轉(zhuǎn)變?yōu)?true",SCPS-NP協(xié)議化ader字段的表項RC 表示所述路由表中的表項RC的變化情況，當所述路由表中的表項RC的值轉(zhuǎn)變?yōu)?true"時， SCPS-NP協(xié)議化ader字段的表項RC的值轉(zhuǎn)變?yōu)?true";SCPS-TP協(xié)議的化ader字段增加 一個表項RCN，所述SCPS-TP協(xié)議化ader字段是指SCPS-TP協(xié)議的包頭信息，所述表項RCN 表示所述SCPS-NP協(xié)議化ader字段的表項RC的值的變化情況，所述表項RCN的值默認為 "false";當所述SCPS-NP協(xié)議化ader字段的表項RC的值轉(zhuǎn)變?yōu)?true"時，所述表項RCN 的值轉(zhuǎn)變?yōu)?true";具體步驟包括：
[002引 （1)檢測路由變化，如果中間節(jié)點的路由發(fā)生變化，中間節(jié)點路由表中的表項RC 的值轉(zhuǎn)變?yōu)?true",進入步驟（2);如果中間節(jié)點的路由不發(fā)生變化，中間節(jié)點路由表中的 表項RC的值不變；
[0024] 似數(shù)據(jù)包到達步驟（1)所述中間節(jié)點時，發(fā)現(xiàn)所述路由表中的表項RC的值轉(zhuǎn)變 為"true",SCPS-NP協(xié)議化ader字段的表項RC的值轉(zhuǎn)變?yōu)?true",所述中間節(jié)點路由表 中的表項RC的值恢復為"false",轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包至接收端；
[0025] (3)接收端接收到步驟（2)所述數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)SCPS-NP協(xié)議化ader字段的表項 RC的值轉(zhuǎn)變?yōu)?true",判定中間節(jié)點路由發(fā)生變化，接收端通過ACK包將路由變化信息反 饋給發(fā)送端，即；將SCPS-TP協(xié)議的化ader字段的表項RCN設置為"true",在接收端發(fā)送 ACK包時，加入Timestamps,開始計時，當發(fā)送端接收到ACK包的，計時結束，記錄的時間為 Back-Time;所述Timestamps為SCPS-NP協(xié)議中現(xiàn)有的時間戳，加入Timestamps時開始計 時；
[0026] (4)發(fā)送端接收到ACK包時，監(jiān)測到SCPS-TP協(xié)議的化ader字段的表項RCN為 "true",則判定路由發(fā)生變化，則進入步驟巧）；
[0027] (5)設定M= 2XBack-Time，則；
[002引 RTTbadc=Min{M，RTT};
[0029] 其中，Min{M，RTT}是指M、RTT中的較小值；所述RTF是指某一時間段T內(nèi)平均往 返時間；RTTba加是指基準RTT;
[0030] 當RTTba,k=M時，則判定引起RTT變化的主要原因是路由變化，則窗口不變。
[00川當RTTb,,k=RTT時，按照現(xiàn)有的Vegas機制進行處理。
[0032] RC即route-changed;
[0033] 此處設計的優(yōu)勢在于，只根據(jù)RTF無法判斷路由擴增還是路由縮減，引入 Back-Time就可W實現(xiàn)該判斷，并且，Back-Time可W反應網(wǎng)絡的當前最新狀況，使得改進 的Vegas機制更能準確發(fā)揮功能。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述空間通信網(wǎng)絡中，SCPS-NP協(xié)議化ader字段還增加化P Count字段，預設化PCount字段的初始值，所述化PCount字段的初始值大于空間通信網(wǎng) 絡的發(fā)送端與接收端之間的最大節(jié)點個數(shù)，一個節(jié)點是指一個衛(wèi)星；所述化PCount字段 表示網(wǎng)絡中經(jīng)過的跳數(shù)的個數(shù)，每經(jīng)過一個節(jié)點，所述化PCoun