一种深空DTN网络多跳传输方法

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一种深空DTN网络多跳传输方法
申请号	CN201310007624.1	申请日	2013-01-09	公开(公告)号	CN103095438B	公开(公告)日	2016-02-24
申请人	哈尔滨工业大学深圳研究生院;			发明人	杨志华; 焦健; 张钦宇; 李红兵; 李惠媛; 王斌; 罗辉; 王鑫;
摘要	本发明提供一种深空DTN网络多跳传输方法，包括以下步骤：步骤（a）：源节点将需要传输的文件拆分成若干个bundle数据单元；步骤（b）：M个并行session中的每一个数据片段进行传输及重传；步骤（c）：对当前节点i的内存资源占用情况以及DTN的bundle数据单元的成功投递概率进行实时评估；步骤（d）：若成功投递概率大于0.5，则节点i-1继续向节点i发送丢失的红色数据片段，传输过程反复重复步骤（b）和（c），直达能够完整恢复整个bundle数据单元,进而完成整个文件从源节点到目的节点的多跳数据传输，关闭传输链路。本发明由于应用不局限与特定场景，具有更高的可移植性，且在本发明指导下进行的各层协议数据大小合理设置，可以获得高效率、低延迟和高成功投递概率的深空文件多跳传输。
权利要求	1.一种深空DTN网络多跳传输方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(a)：源节点将需要传输的文件拆分成若干个bundle数据单元；每一个bundle数据单元分为红色数据片段和绿色数据片段，所述红色数据片段为需要保证其被可靠传输的数据部分，而绿色数据片段部分为可容忍丢失的数据部分，所述bundle数据单元经历n跳向目的节点传输；步骤(b)：M个并行session中的每一个数据片段按照先入先出机制在传输队列中排队进行传输；一旦数据片段到达通信节点i，该通信节点就会对这些数据片段进行完整性校验并向上一节点发送重传请求，请求重传丢失的数据片段，节点i-1收到节点i的重传请求后进行步骤(c)；步骤(c)：对当前节点i的内存资源占用情况以及DTN的bundle数据单元的成功投递概率进行实时评估，该实时评估方式使用多维马尔科夫链模型和计算数据成功投递概率指标的公式，该公式如下：其中，表示在第k次重传时，通过节点i成功向下转发的bundle数据块，表示在第l次重传时，通过节点i-1成功向下转发的bundle数据块，Tttl表示bundle数据单元的生存周期，TB(j)_ot为bundle数据块在节点j的内存占用时间；所述步骤(c)中，DTN网络中间节点内存动态变化特性满足以下公式： Bk+1＝Bk+Ck_up-Ek_down Sk+1＝Sk+Nk_down-Ek_down 其中，K表示相邻两个DTN通信节点间第k个传输pass；up表示节点i-1到节点i的传输过程；down表示节点i到节点i+1的传输过程；Bk表示Pass K开始时，节点i内存中的bundles数量；Ck_up表示Pass K过程中，节点i-1到节点i完成了多少bundles的传输； Ek_down表示Pass K过程中，节点i到节点i+1完成的传输的bundles(sessions)个数，即从内存中擦除了bundles(sessions)的个数；Sk表示Pass K开始时，有多少个sessions正在进行；Nk_down表示Pass K过程中，节点i到节点i+1新开始的sessions的个数；步骤(d)：若成功投递概率大于0.5，则节点i-1继续向节点i发送丢失的红色数据片段，传输过程反复重复步骤(b)和(c)，直到能够完整恢复整个bundle数据单元,进而完成整个文件从源节点到目的节点的多跳数据传输，关闭传输链路。 2.根据权利要求1所述深空DTN网络多跳传输方法，其特征在于：所述步骤(a)中，所述bundle数据单元的大小、源和目的ID信息封装在红色数据片段中。 3.根据权利要求1所述深空DTN网络多跳传输方法，其特征在于：所述步骤(c)中，bundle数据单元在节点i的内存占用时间的期望E(TB(i)_ot\|Pa)满足以下公式：E(TB(i)_ot\|Pa)＝E(TB(i)_arrival\|Pa)+E(TB(i)_departure\|Pa)其中E(TB(i)_arrival\|Pa)表示第i个bundle数据单元在给定Pa下，节点i“来过程”的文件传输时延期望，E(TB(i)_departure\|Pa)表示第i个bundle数据单元在给定Pa下，节点i“去过程”的文件传输时延期望。 4.根据权利要求3所述深空DTN网络多跳传输方法，其特征在于：所述步骤(c)中，单个bundle数据单元在某一通信节点i的“来过程”的内存占用时延的期望满足以下公式：E(Tarrival\|Pa)＝(N·Ts+E(CP_DELIVERY_TIME)+E(RT_TIME))/Pa其中Ts表示每个红色数据片的发送时间，N表示有一个bundle块中红色数据片段的个数；E(CP_DELIVERY_TIME)表示CP或EORP传输成功所需时间的期望，E(RT_TIME)表示所有红色数据片段传输成功所需重传时间的期望。 5.根据权利要求4所述深空DTN网络多跳传输方法，其特征在于：所述步骤(c)中，DTN网络Bundle数据单元的传输全过程总的时延期望满足以下公式： 6.根据权利要求1所述深空DTN网络多跳传输方法，其特征在于：所述步骤(d)中，到达节点i的数据将被备份在节点i的永久内存里，以供节点i到节点i+1间通信可见时使用，当节点i到节点i+1的传输过程完毕后，节点i将把成功传输的数据从永久内存中擦除。
说明书全文	一种深空DTN网络多跳传输方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种深空DTN网络多跳传输方法。背景技术 [0002] 作为未来空间数据通信协议架构的演进方案，CCSDS建议的容迟/断网络(DTN,Delay/Disruption Tolerant Networking)架构由于其在处理多路径通信，间断传输，大时延，高误码率和资源共享等方面具有很强的能力，被越来越多的空间组织和机构接受并作为未来星际互联网络(IPN,Interplanetary Internet)的最具前景的协议架构。DTN协议架构采用BP(Bundle Protocol)层作为覆盖层的方式，为解决异构网络中数据可靠传输问题提供的一个途径。保管传输机制作为BP层的显著特点之一，它允许当前节点将保证bundle数据块向下完整传输的任务移交给下一个可见节点。但这一特性也为空间DTN网络架构的中间节点带来了两个主要挑战：(1)由于多session并发，中间节点需要更大的永久内存，设计规划DTN中间节点的内存开销对于提高空间数据通信质量就变得尤为重要；(2)长时间的链路中断导致bundle数据单元在其生存周期内无法顺利的DTN节点转发到达目的节点。因此，空间DTN通信节点的内存特性和能力就成为决定空间DTN网络数据传输质量的关键因素之一。现有的DTN网络中间节点内存动态特性相关分析方法包括(1)基于DTN Testbed试验分析法描述；(2)CCSDS文件传输协议(CFDP)框架内的分析法描述(3)；地面DTN网络中间节点内存特性分析方法描述。但是以上方法都各有不足。(1)基于DTN Testbed试验分析法：该方法由于通过仅仅通过试验的方法得来，缺乏对内存与协议数据单元大小关系的精确衡量，试验的精度受试验设备精度，试验操作者个人因素等影响，且可移植性不高，同时该方法依靠简单的原理公式仅能进行分析干扰较少的源节点内存问题的进行分析，而深空DTN网络中数量最多，对数据传输影响最大的还是中间节点，故现实意义不高。(2)CCSDS文件传输协议(CFDP)框架内的分析法：首先，对深空链路间断链接考虑过于简单，对Ka波段链路的特性没能较全面的分析，其次基于CCSDS文件传输协议框架的分析方法在分析DTN框架内的中间节点内存问题时存在不适应性，而DTN网络框架作为CCSDS空间数据传输标准的发展趋势，分析其中间节点内存的模型更具有实际价值。(3)地面DTN网络中间节点内存特性分析方法：由于地面通信环境不涉及深空环境的超长距离，大时延，高误码率，间断连接以及上、下行链路不对称等困难，该分析方法缺乏对极端恶劣环境的考虑，参数设置和建模方法不适合深空DTN中间节点的内存动态特性分析。发明内容 [0003] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种通过实时评估深空DTN网络节点动态内存情况和数据成功投递概率来指导深空数据的多跳传输过程的方法。 [0004] 本发明深空DTN网络多跳传输方法包括以下步骤： [0005] 步骤(a)：源节点将需要传输的文件拆分成若干个bundle数据单元；每一个bundle数据单元分为红色数据片段和绿色数据片段，所述红色数据片段为需要保证其被可靠传输的数据部分，而绿色数据片段部分为可容忍丢失的数据部分，所述bundle数据单元经历n跳向目的节点传输； [0006] 步骤(b)：M个并行session中的每一个数据片段按照先入先出机制在传输队列中排队进行传输；一旦数据片段到达通信节点i，该通信节点就会对这些数据片段进行完整性校验并向上一节点发送重传请求，请求重传丢失的数据片段，节点i-1收到节点i的重传请求后进行步骤(c) [0007] 步骤(c)：对当前节点i的内存资源占用情况以及DTN的bundle数据单元的成功投递概率进行实时评估； [0008] 步骤(d)：若成功投递概率大于0.5，则节点i-1继续向节点i发送丢失的红色数据片段，传输过程反复重复步骤(b)和(c)，直达能够完整恢复整个bundle数据单元,进而完成整个文件从源节点到目的节点的多跳数据传输，关闭传输链路。 [0009] 进一步的，所述步骤(a)中，所述bundle数据单元的大小、源和目的ID信息封装在红色数据片段中。 [0010] 进一步的，所述步骤(c)中，DTN网络中间节点内存动态变化特性满足以下公式： [0011] Bk+1＝Bk+Ck_up-Ek_down [0012] Sk+1＝Sk+Nk_down-Ek_down [0013] 其中，K表示相邻两个DTN通信节点间第k个传输pass；up表示节点i-1到节点i的传输过程；down表示节点i到节点i+1的传输过程；Bk表示Pass K开始时，节点i内存中的bundles数量；Ck_up表示Pass K过程中，节点i-1到节点i完成了多少bundles的传输；Ck_up(j)表示Pass K过程中，节点i-1到节点i完成的j次往返传输后就完成整个bundles(sessions)个数；Ek_down表示Pass K过程中，节点i到节点i+1完成的传输的bundles(sessions)个数，即从内存中擦除了bundles(sessions)的个数；Ek_down(j)表示Pass K过程中，节点i到节点i+1完成的j次往返传输后就完成整个session传输然后被擦除的session个数；Sk表示Pass K开始时，有多少个sessions正在进行；Sk(j)表示Pass K开始时，节点i到节点i+1完成j次往返传输的sessions的个数；Nk_down表示Pass K过程中，节点i到节点i+1新开始的sessions的个数。 [0014] 进一步的，所述步骤(c)中，bundle数据单元在节点i的内存占用时间的期望E(TB(i)_ot\|Pa)满足以下公式： [0015] E(TB(i)_ot\|Pa)＝E(TB(i)_arrival\|Pa)+E(TB(i)_departure\|Pa)[0016] 其中E(TB(i)_arrival\|Pa)表示第i个bundle数据单元在给定Pa下，节点i“来过程”的文件传输时延期望，E(TB(i)_departure\|Pa)表示第i个bundle数据单元在给定Pa下，节点i“去过程”的文件传输时延期望。 [0017] 进一步的，所述步骤(c)中，单个bundle数据单元在某一通信节点i的“来过程”的内存占用时延的期望满足以下公式： [0018] E(Tarrival\|Pa)＝(N·Ts+E(CP_DELIVERY_TIME)+E(RT_TIME))/Pa [0019] 其中Ts表示每个红色数据片的发送时间，N表示有一个bundle块中红色数据片段的个数；E(CP_DELIVERY_TIME)表示CP或EORP传输成功所需时间的期望，E(RT_TIME)表示所有红色数据片段传输成功所需重传时间的期望。 [0020] 进一步的，所述步骤(c)中，DTN网络Bundle数据单元的传输全过程总的时延期望满足以下公式： [0021] [0022] 进一步的，所述步骤(c)中，DTN网络Bundle数据单元成功投递概率满足以下公式： [0023] [0024] 其中表示在第k次重传时，通过节点i成功向下转发的bundle数据块，表示在第l次重传时，通过节点i-1成功向下转发的bundle数据块，Tttl表示bundle数据单元的生存周期。 [0025] 进一步的，所述步骤(d)中，到达节点i的数据将被备份在节点i的永久内存里，以供节点i到节点i+1间通信可见时使用，当节点i到节点i+1的传输过程完毕后，节点i将把成功传输的数据从永久内存中擦除。 [0026] 相较于现有技术，本发明的深空DTN网络多跳传输方法由于应用不局限与特定场景，具有更高的可移植性，且在本发明指导下进行的各层协议数据大小合理设置，可以获得高效率、低延迟和高成功投递概率的深空文件多跳传输。附图说明 [0027] 图1是本发明的深空DTN网络多跳传输方法的空间DTN网络拓扑结构示意图； [0028] 图2是本发明的深空DTN网络多跳传输方法的空间DTN协议架构示意图； [0029] 图3是本发明的深空DTN网络多跳传输方法中i个并行session的传输过程示意图； [0030] 图4是本发明的深空DTN网络多跳传输方法中节点i-1到节点i的文件传输过程示意图； [0031] 图5是本发明的深空DTN网络多跳传输方法在不同bundle大小和Pa下中间节点内存需求情况对比示意图； [0032] 图6是本发明的深空DTN网络多跳传输方法在不同bundle大小、LTP segment大小、Pa下中间节点内存占用时间情况对比示意图； [0033] 图7是本发明的深空DTN网络多跳传输方法在不同bundle大小和LTP segment大小以及给定TTL为50分钟Pa为90％时DTN bundle数据块的成功投递概率对比示意图； [0034] 图8是本发明的深空DTN网络多跳传输方法的在不同TTL、bundle大小、LTP segment大小以及Pa为90％时DTN bundle数据块的成功投递概率对比示意图；具体实施方式 [0035] 下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。 [0036] 请参阅图1至图4，本发明提供了一种深空DTN网络多跳传输方法，通过在深空DTN网络多跳传输中进行中间节点内存动态特性评估，进而估算多跳传输过程中DTN中间节点内存的资源占用情况(包括内存大小需求的动态变化情况和节点占用时间情况)以及DTN的bundle数据的成功投递概率。 [0037] 基于图1中基本的深空网络拓扑，数据从源节点到目的节点经过了n个中间节点，节点间的传输为多个session(会话)并行的数据传输模式，本发明基于的是BP/LTP组合的DTN协议架构。 [0038] 本发明的深空DTN网络多跳传输方法包括以下步骤： [0039] 步骤(a)：源节点首先将需要传输的文件拆分成若干个名为bundle的数据单元。本发明采用一个bundle数据单元对于一个传输session的模式进行并行多sessions的多跳文件传输。每一个bundle数据单元可分为红色数据片段(red segment)和绿色数据片段(green segment)，其中红色数据片段为需要保证其被可靠传输的数据部分，而绿色数据片段部分为可容忍丢失的数据部分。每一个bundle将bundle的大小、源和目的ID等信息封装在第一个红色数据片段中，然后同其他数据片段一起发送出去，经历n跳向目的节点传输。 [0040] 步骤(b)：如图2所示，M个并行session中的每一个数据片段按照先入先出机制在传输队列中排队进行传输。一旦数据到达节点i，该通信节点就会对这些数据进行完整性校验并向上一节点发送重传请求，请求重传丢失的数据片段，节点i-1收到节点i的重传请求后进行步骤(c)。 [0041] 步骤(c)：由于受节点内存大小和数据处理能力的限制，无限制的数据发送会造成节点内存溢出，进而导致深空科学数据的丢失和出错，故本步将对当前节点i的内存资源占用情况(包括内存大小需求的动态变化情况和节点占用时间情况)以及DTN的bundle数据的成功投递概率进行实时地评估。具体方法如下： [0042] 如图3所示，数据在节点i的占用时间的动态特性主要和节点i-1到节点i的文件传输工程以及节点i到节点i+1的文件传输过程有关，由于BP的保管传输机制和协议的中继存储转发机制作用下，多session并行方式的节点i内存占用时间呈现多状态变化特性。因此，本发明采用多维马尔科夫链模型描述多session并行的DTN文件传输在节点i的输入输出过程。 [0043] 首先，定义以下变量： [0044] A)K表示相邻两个DTN通信节点间第k个传输pass(指一个文件的传输往返过程)； [0045] B)up表示节点i-1到节点i的传输过程； [0046] C)down表示节点i到节点i+1的传输过程； [0047] D)Bk表示Pass K开始时，节点i内存中的bundles数量； [0048] E)Ck_up表示Pass K过程中，节点i-1到节点i完成了多少bundles的传输； [0049] F)Ck_up(j)表示Pass K过程中，节点i-1到节点i完成的j次往返传输后就完成整个bundles(sessions)个数； [0050] G)Ek_down表示Pass K过程中，节点i到节点i+1完成的传输的bundles(sessions)个数，即从内存中擦除了bundles(sessions)的个数； [0051] H)Ek_down(j)表示Pass K过程中，节点i到节点i+1完成的j次往返传输后就完成整个session传输然后被擦除的session个数； [0052] I)Sk表示Pass K开始时，有多少个sessions正在进行； [0053] J)Sk(j)表示Pass K开始时，节点i到节点i+1完成j次往返传输的sessions的个数； [0054] K)Nk_down表示Pass K过程中，节点i到节点i+1新开始的sessions的个数； [0055] 下面等式(1)、(2)表征DTN网络中间节点内存动态变化特性。 [0056] Bk+1＝Bk+Ck_up-Ek_down (1) [0057] Sk+1＝Sk+Nk_down-Ek_down (2) [0058] 其中式(1)表示节点i内存中bundles数量的变化情况，式(2)表示节点i中Session进行的变化情况。由式(1)和式(2)构成的模型包括两部分： [0059] 本质上来说，式(1)和(2)提供了DTN多session并行传输下中间节点的内存动态特性分析模型，同时它还受双跳链路质量的影响。另一方面，基于本节所建模型，本发明可以进一步为分析每一个bundle数据单元在某一中间节点占用内存的时间，此节点前后链路通断状态存在异步性。以及建立给定bundle数据单元的TTL(Time-To-Live)下，bundle数据单元的传输时延和成功投递概率等性能，这些指标都是评价空间DTN传输质量重要指标。 [0060] 本发明定义节点i-1到节点i的文件传输过程为节点i的“来过程”，节点i到节点i+1的文件传输过程为节点i的“去过程”，考虑一个bundle的完整传输过程为一个传输单元，可以看出这个传输单元中的“来过程”和“去过程”的传输时延是相同。以节点i的“来过程”模型为例，给定Pa表示空间链路的可用率(Pass availability)，bundle数据单元在节点i的内存占用时间的期望可以表示如下 [0061] E(TB(i)_ot\|Pa)＝E(TB(i)_arrival\|Pa)+E(TB(i)_departure\|Pa) (3)[0062] 其中E(TB(i)_arrival\|Pa)表示第i个bundle数据单元在给定Pa下，节点i“来过程”的文件传输时延期望，E(TB(i)_departure\|Pa)表示第i个bundle数据单元在给定Pa下，节点i“去过程”的文件传输时延期望。图4给出了节点i“来过程”即节点i-1到节点i的文件传输过程细节。 [0063] 在图4中，由红绿数据片段组成的bundle数据单元在有“通”和“断”两种状态的空间链路上从节点i-1传输到节点i。当最后一个红色数据片段R_LAST被发送后，CP/EORP将被发送以标记此bundle数据单元的红色数据片段已发送完。如果CP/EORP在传输过程中丢失，它将会在其重传控制时钟CP_TIMER的控制下，反复重传直到被节点i成功收到为止。一旦CP/EORP数据片段被收到，节点i的协议体将统计丢失的红色数据片段并发回RS重传请求信息，进而重传丢失的红色数据片段。为了确保RS被可靠地接收，节点i的协议体会启动一个控制时钟RS_TIMER。当RS被成功收到，节点i-1将根据RS中的信息重传丢失的红色数据片段。如果传输过程遇到链路中断，则协议实体将启动“中止操作”，等待链路接通，然后恢复文件传输。 [0064] 从图4中，本发明可以给出一个bundle数据单元在某一通信节点i的“来过程”的内存占用时延的期望如下： [0065] E(Tarrival\|Pa)＝(N·Ts+E(CP_DELIVERY_TIME)+E(RT_TIME))/Pa (4)[0066] 其中Ts表示每个红色数据片段的发送时间，N表示有一个bundle块中红色数据片段的个数；E(CP_DELIVERY_TIME)表示CP或EORP传输成功所需时间的期望，E(RT_TIME)表示所有红色数据片段传输成功所需重传时间的期望。 [0067] 综上可得到DTN网络Bundle数据单元的传输全过程总的时延期望如下，[0068] [0069] Bundle协议数据块的成功投递概率是评估空间数据传输任务传输质量的重要参数。本发明将描述bundle成功投递概率和TTL之间的关系，这可更合理地配置bundle的生存周期(TTL)以提高成功投递概率。首先，定义下面一个表达式， [0070] [0071] 其中和Tttl分别表示在第k(1 [0072] 基于前面的数学模型，可以给出如下公式： [0073] [0074] 基于所建立的DTN中间节点内存动态特性分析模型将通过在不同Pa和bundle数据单元大小下的仿真进行分析评估。此外，还将评估和讨论bundle数据单元内存占用时间和bundle数据单元大小，LTP segment大小的相互作用关系。最后不同给定TTL下，bundle数据块的成功投递概率将被评估。 [0075] 步骤(d)：进行步骤(c)的深空DTN节点内存情况和bundle数据成功投递概率实时评估后，根据当前节点i的内存占用情况和数据的成功投递概率，若内存空闲状态(占用率小于50％)成功投递概率大于0.5，则节点i-1继续向节点i发送丢失的红色数据片段，传输过程反复重复步骤(b)和(c)，直达能够完整恢复整个bundle数据单元。这些到达节点i的数据将被备份在节点i的永久内存里，以供节点i到节点i+1间通信可见时使用，当节点i到节点i+1的传输过程完毕后，节点i将把成功传输的数据从永久内存中擦除。进而完成整个文件从源节点到目的节点的多跳数据传输，关闭传输链路。 [0076] 本发明的深空DTN网络多跳传输方法通过建立时延性能评估模型和bundle投递成功概率评估模型来分析中间节点内存的动态特性。如图5至图8所示，为本发明的深空DTN网络多跳传输方法在不同参数状态下的bundle数据块的成功投递概率对比示意图。可以看出：(1)源文件被拆分成的bundle越大，造成的中间节点内存占用时间就越长；(2)DTN中间节点内存占用时间受bundle大小的影响比受LTP segment大小影响更显著；(3)在给定bundle生命周期的情况下，相对LTP segment大小的影响，bundle的投递成功概率更取决与bundle大小，而不是LTP segment的大小。本发明可以指导深空DTN协议的性能改进工作，根据本发明进行合理地DTN协议架构的不同协议层数据块大小的调节和TTL的设置，有利于减少传输数据的节点内存占用时间，从而避免内存溢出，提高数据成功投递概率，提高深空DTN协议的整体性能。本发明的深空DTN网络多跳传输方法，由于应用不局限与特定场景，具有更高的可移植性，且在本发明指导下进行的各层协议数据大小合理设置，可以获得高效率、低延迟和高成功投递概率的深空文件多跳传输。 [0077] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。