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深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法

申请号 CN202210409917.1 申请日 2022-04-19 公开(公告)号 CN114679385B 公开(公告)日 2023-11-14
申请人 中国科学院国家空间科学中心; 发明人 余果; 董振兴; 朱岩;
摘要 本发明公开了一种深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法,用于多跳场景下的复杂深空通信网络,该方法包括:根据通信环境建立复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延理论模型;基于LTP文件传递总时延模型,提出一种LTP的参数优化设计算法LTP‑PODA;通过LTP‑PODA算法对LTP协议中的segment、block和session参数进行优化,得到三个参数的全局最优解组合,从而得到LTP协议最优参数配置方案。本发明建立的复杂深空通信网络的LTP传递时延模型,比已有的基于简化场景建立的模型精度更高;本方法为基于DTN的复杂深空通信网络配置合理的LTP协议参数,提升了复杂场景下的LTP协议传输性能。
权利要求

1.一种深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法,用于多跳场景下的复杂深空通信网络,所述方法包括:根据通信环境建立复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延理论模型;

基于LTP文件传递总时延模型,提出一种LTP的参数优化设计算法LTP‑PODA;通过LTP‑PODA算法对LTP协议中的segment、block和session参数进行优化,得到三个参数的全局最优解组合,从而得到LTP协议最优参数配置方案;

所述通信环境包括:深空通信网络中包括的通信节点类型和数目、各段链路下行速率、BP托管机制、聚合时间限制、文件尺寸、MTU、通信节点的bundle聚合速率、bundle尺寸、不同链路的单程时延、误码率、信道速率非对称比;

所述LTP文件传递总时延理论模型为:

Tfile_multihop=Tformer+Tblock_q_final+Tlatter+Taggre式中,Tfile_multihop表示复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延,Tformer表示从文件在源节点开始传输起,至blockq_final在第q跳开始传输止,这期间所消耗的时间,其中第q跳表示整个复杂深空通信网络中具有最长单程链路延时的一跳,blockq_final为在第q跳上最后完成传输的block,Tblock_q_final表示blockq_final在第q跳上的传输时延,Tlatter表示从blockq_final在第q跳上传输完成至目的节点完全接收整个文件所消耗的时间,Taggre表示bundle聚合所消耗的时间;

所述复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延理论模型的建立过程具体包括:

步骤s1)求取第i跳上仅传递一个block时经历的传递回合数kmin_i,以及传递整个文件时经历的传递回合数kmax_i,并计算二者的均值kmean_i;

步骤s2)求取第i跳上单个block完成传递所耗时间Tblock_i;

步骤s3)基于步骤s1)和步骤s2)所得计算结果,计算前(q‑1)跳的Tformer,单个block在第q上传输时的最大传递总时延Tblock_q_final以及后(n‑q)跳的Tlatter;

步骤s4)将一个文件分为Nbundle个bundle进行传输,Nbundle个bundle组合为Nblock个block;

当Nbundle>Nblock时,表示一个block由多个bundle聚合而成,计算bundle聚合为block所消耗时间Taggre;当Nbundle=Nblock时,bundle处于非聚合状态,Taggre=0;

步骤s5)对步骤s3)和步骤s4)所得计算结果求和,得到复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延理论模型;

所述基于LTP文件传递总时延模型,提出一种LTP的参数优化设计算法LTP‑PODA;通过LTP‑PODA算法对LTP协议中的segment、block和session参数进行优化,得到三个参数的全局最优解组合,从而得到LTP协议最优参数配置方案;具体包括:步骤t1)初始化block和segment;

步骤t2)利用迭代的方式,根据block和segment的优化依据求取二者的局部最优解;

步骤t3)判断是否找到使LTP文件传递总时延最小的block和segment,判断为是,得到block和segment的全局最优解,暂且作为block和segment的优化值;转至步骤t4);否则,转至步骤t2);

步骤t4)将求得的block全局最优解与数据传输过程中实际的block尺寸进行比较,由此对步骤t3)得到的block和segment的优化值进行调整,得到最终的block和segment的优化设计值;

步骤t5)根据session的优化依据求取session的优化设计值,结合block和segment的优化设计值,得到LTP协议最优参数配置方案。

2.根据权利要求1所述的深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法,其特征在于,所述步骤s1)具体包括:根据下式计算第i跳上仅传递一个block时经历的传递回合数kmin_i:

式中,pseg_i表示第i跳上的segment丢失概率,NR表示一个block中包含红色数据段的个数,m表示所有理论上可能的传递回合数;

根据下式计算传递整个文件时经历的传递回合数kmax_i:

式中,f表示待发送的单个block中红色数据占比,Nbundle表示将一个尺寸为Lfile的文件分割为Nbundle个bundle进行传输,Lbundle_head表示bundle的头部长度,Lblock表示单个block的尺寸,Lseg_payload_i表示第i跳上单个segment的负载尺寸。

3.根据权利要求2所述的深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法,其特征在于,所述步骤s3)具体包括:根据下式得到前(q‑1)跳的Tformer:

式中,Ttrans_a_mean、Tprop_a_mean和Tex_time_a_mean分别表示blockq_final在第a跳的平均传输时间、平均传播时间和平均额外传递时间,Tformer_a表示blockq_final在第a跳上传输的平均传递总时延,a∈[1,q];

根据下式得到单个block在第q上传输时的最大传递总时延Tblock_q_final:Tblock_q_final=Tprop_q_final+Ttrans_q_final+Tex_time_q式中,Tprop_q_final、Ttrans_q_final和Tex_time_q_final分别表示blockq_final在第q跳的传播时间、传输时间和额外传递时间;

根据下式得到后(n‑q)跳的Tlatter:

式中,Tlater_a表示从第(a‑1)跳上最后一个block完成传递的时刻起,至第a跳上最后一个block完成传递的时刻止,期间的时间间隔,n表示数据由源端传递到目的端途经的总跳数。

4.根据权利要求3所述的深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法,其特征在于,所述步骤t1)具体包括:设置每段链路上的segment帧尺寸Lseg_frame_a为设定值,结合segment的头部长度Lseg_header,根据下式得到每段链路上segment的负载大小Lseg_payload_a,由此完成segment的初始化:Lseg_payload_a=Lseg_frame_a‑Lseg_header将Lseg_payload_a赋给Lseg_payload、Lseg_frame_a赋给Lseg_frame代入下式求得block尺寸Lblock的最小值Lb_min,从而完成block的初始化;

其中,LRS_frame表示RS的帧尺寸,Lseg_payload表示segment的负载尺寸,Lseg_frame表示segment的帧尺寸,Rdata表示数据信道的数据传输速率,RACK表示ACK信道的数据传输速率。

5.根据权利要求4所述的深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法,其特征在于,所述步骤t2)具体包括:以Lb_min为block尺寸,代入求取Tformer_a、Tblock_q_final和Tlatter_a的计算式,将求取使Tfile_multihop最小的segment尺寸的问题转换为Tformer_a(Lseg_payload_a)、Tblock_q_final(Lseg_payload_q)和Tlatter_a(Lseg_payload_a)函数的凸优化问题,求得每一段链路上满足KKT一阶必要条件的局部最优Lseg_payload_a*,Lseg_payload_a*为segment的局部最优解;其中Lseg_payload_q表示第q跳上的segment负载尺寸;

将Lseg_payload_a*赋给Lseg_payload,代入下式求得每一段链路上block尺寸Lblock的最小值Lb_min_a:从每段链路的Lb_min_a中取最大值赋给Lb_min,Lb_min为block的局部最优解。

6.根据权利要求5所述的深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法,其特征在于,所述步骤t5)具体包括:根据下式,由数据传输过程中的block的实际聚合尺寸Lblock_act得到session的优化设计值Nsess_opt:Nsess_opt=1.2×(Lfile/Lblock_act)。

说明书全文

深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法

技术领域

[0001] 本发明属于LTP协议参数配置技术领域,尤其涉及深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法。

背景技术

[0002] LTP(Licklider Transmission Protocol,LTP)是为具有极长的传播延迟且存在中断的点到点连接所设计的DTN(Delay/Disruption Torlrant Network,DTN)协议,是基于
DTN的深空通信网络的主要传输协议。
[0003] 由于协议参数的不同选择会对LTP传输性能产生较大的影响,因此在进行以LTP为传输层协议的数据传输任务前,需先进行LTP协议参数的配置,但目前还没有与LTP协议参
数配置相关的标准发布。为了使以LTP作为传输协议的深空通信网络在数据传输时获得尽
可能高的性能,需要对LTP的参数配置进行优化设计。
[0004] 但现有文献集中于以仿真实验的方式,寻找一至两跳的简化场景下的LTP协议参数优化的配置方案。这样的研究结论在多跳场景下的复杂深空通信网络中并不适用,且由
于缺乏理论工作,已有研究提出的优化方法并不具有一般性。
[0005] 故而,面对未来以LTP为传输协议的复杂深空通信网络,亟需一套具有一般性、且操作便捷的参数优化配置方法,能够为不同通信环境下的LTP提供最合适的参数配置方案,从而提升LTP的数据传输性能。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术缺陷,提出了深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法。
[0007] 为了实现上述目的,本发明提出了一种深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法,用于多跳场景下的复杂深空通信网络,所述方法包括:
[0008] 根据通信环境建立复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延理论模型;
[0009] 基于LTP文件传递总时延模型,提出一种LTP的参数优化设计算法LTP‑PODA;通过LTP‑PODA算法对LTP协议中的segment、block和session参数进行优化,得到三个参数的全局最优解组合,从而得到LTP协议最优参数配置方案。
[0010] 作为上述方法的一种改进,所述通信环境包括:深空通信网络中包括的通信节点类型和数目、各段链路下行速率、BP托管机制、聚合时间限制、文件尺寸、MTU、通信节点的bundle聚合速率、bundle尺寸、不同链路的单程时延、误码率、信道速率非对称比。
[0011] 作为上述方法的一种改进,所述LTP文件传递总时延理论模型为:
[0012] Tfile_multihop=Tformer+Tblock_q_final+Tlatter+Taggre
[0013] 式中,Tfile_multihop表示复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延,Tformer表示从文件在源节点开始传输起,至blockq_final在第q跳开始传输止,这期间所消耗的时间,其中第q跳表示整个复杂深空通信网络中具有最长单程链路延时的一跳,blockq_final为在第q跳上最后完成传输的block,Tblock_q_final表示blockq_final在第q跳上的传输时延,Tlatter表示从blockq_final在第q跳上传输完成至目的节点完全接收整个文件所消耗的时间,Taggre表示bundle聚合所消耗的时间。
[0014] 作为上述方法的一种改进,所述复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延理论模型的建立过程具体包括:
[0015] 步骤s1)求取第i跳上仅传递一个block时经历的传递回合数kmin_i,以及传递整个文件时经历的传递回合数kmax_i,并计算二者的均值kmean_i;
[0016] 步骤s2)求取第i跳上单个block完成传递所耗时间Tblock_i;
[0017] 步骤s3)基于步骤s1)和步骤s2)所得计算结果,计算前(q‑1)跳的Tformer,单个block在第q上传输时的最大传递总时延Tblock_q_final以及后(n‑q)跳的Tlatter;
[0018] 步骤s4)将一个文件分为Nbundle个bundle进行传输,Nbundle个bundle组合为Nblock个block;
[0019] 当Nbundle>Nblock时,表示一个block由多个bundle聚合而成,计算bundle聚合为block所消耗时间Taggre;当Nbundle=Nblock时,bundle处于非聚合状态,Taggre=0;
[0020] 步骤s5)对步骤s3)和步骤s4)所得计算结果求和,得到复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延理论模型。
[0021] 作为上述方法的一种改进,所述步骤s1)具体包括:
[0022] 根据下式计算第i跳上仅传递一个block时经历的传递回合数kmin_i:
[0023]
[0024] 式中,pseg_i表示第i跳上的segment丢失概率,NR表示一个block中包含红色数据段的个数,m表示所有理论上可能的传递回合数;
[0025] 根据下式计算传递整个文件时经历的传递回合数kmax_i:
[0026]
[0027] 式中,f表示待发送的单个block中红色数据占比,Nbundle表示将一个尺寸为Lfile的文件分割为Nbundle个bundle进行传输,Lbundle_head表示bundle的头部长度,Lblock表示单个block的尺寸,Lseg_payload_i表示第i跳上单个segment的负载尺寸。
[0028] 作为上述方法的一种改进,所述步骤s3)具体包括:
[0029] 根据下式得到前(q‑1)跳的Tformer:
[0030]
[0031] 式中,Ttrans_a_mean、Tprop_a_mean和Tex_time_a_mean分别表示blockq_final在第a跳的平均传输时间、平均传播时间和平均额外传递时间,Tformer_a表示blockq_final在第a跳上传输的平均传递总时延,a∈[1,q];
[0032] 根据下式得到单个block在第q上传输时的最大传递总时延Tblock_q_final:
[0033] Tblock_q_final=Tprop_q_final+Ttrans_q_final+Tex_time_q
[0034] 式中,Tprop_q_final、Ttrans_q_final和Tex_time_q_final分别表示blockq_final在第q跳的传播时间、传输时间和额外传递时间;
[0035] 根据下式得到后(n‑q)跳的Tlatter:
[0036]
[0037] 式中,Tlater_a表示从第(a‑1)跳上最后一个block完成传递的时刻起,至第a跳上最后一个block完成传递的时刻止,期间的时间间隔,n表示数据由源端传递到目的端途经的总跳数。
[0038] 作为上述方法的一种改进,所述基于LTP文件传递总时延模型,提出一种LTP的参数优化设计算法LTP‑PODA;通过LTP‑PODA算法对LTP协议中的segment、block和session参数进行优化,得到三个参数的全局最优解组合,从而得到LTP协议最优参数配置方案;具体包括:
[0039] 步骤t1)初始化block和segment;
[0040] 步骤t2)利用迭代的方式,根据block和segment的优化依据求取二者的局部最优解;
[0041] 步骤t3)判断是否找到使LTP文件传递总时延最小的block和segment,判断为是,得到block和segment的全局最优解,暂且作为block和segment的优化值;转至步骤t4);否则,转至步骤t2);
[0042] 步骤t4)将求得的block全局最优解与数据传输过程中实际的block尺寸进行比较,由此对步骤t3)得到的block和segment的优化值进行调整,得到最终的block和segment的优化设计值;
[0043] 步骤t5)根据session的优化依据求取session的优化设计值,结合block和segment的优化设计值,得到LTP协议最优参数配置方案。
[0044] 作为上述方法的一种改进,所述步骤t1)具体包括:
[0045] 设置每段链路上的segment帧尺寸Lseg_frame_a为设定值,结合segment的头部长度Lseg_header,根据下式得到每段链路上segment的负载大小Lseg_payload_a,由此完成segment的初始化:
[0046] Lseg_payload_a=Lseg_frame_a‑Lseg_header
[0047] 将Lseg_payload_a赋给Lseg_payload、Lseg_frame_a赋给Lseg_frame代入下式求得block尺寸Lblock的最小值Lb_min,从而完成block的初始化;
[0048]
[0049] 其中,LRS_frame表示RS的帧尺寸,Lseg_payload表示segment的负载尺寸,Lseg_frame表示segment的帧尺寸,Rdata表示数据信道的数据传输速率,RACK表示ACK信道的数据传输速率;
[0050] 作为上述方法的一种改进,所述步骤t2)具体包括:
[0051] 以Lb_min为block尺寸,代入求取Tformer_a、Tblock_q_final和Tlatter_a的计算式,将求取使Tfile_multihop最小的segment尺寸的问题转换为Tformer_a(Lseg_payload_a)、Tblock_q_final(Lseg_payload_q)和Tlatter_a(Lseg_payload_a)函数的凸优化问题,求得每一段链路上满足KKT一阶必要条件的局部最优Lseg_payload_a*,Lseg_payload_a*为segment的局部最优解;其中Lseg_payload_q表示第q跳上的segment负载尺寸;
[0052] 将Lseg_payload_a*赋给Lseg_payload,代入下式求得每一段链路上block尺寸Lblock的最小值Lb_min_a:
[0053]
[0054] 从每段链路的Lb_min_a中取最大值赋给Lb_min,Lb_min为block的局部最优解。
[0055] 作为上述方法的一种改进,所述步骤t5)具体包括:
[0056] 根据下式,由数据传输过程中的block的实际聚合尺寸Lblock_act得到session的优化设计值Nsess_opt:
[0057] Nsess_opt=1.2×(Lfile/Lblock_act)。
[0058] 与现有技术相比,本发明的优势在于:
[0059] 1、本发明提供了一套具有一般性、且易于操作的深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法,该方法不仅能够应用于多跳场景下的复杂深空通信网络,也能够应用于简化
后的一到两跳的简单深空通信网络,弥补了现有研究提供的方法在场景适用性及可拓展性
上的缺陷,利用该方法为基于DTN的复杂深空通信网络配置合理的LTP协议参数,提升了复
杂场景下的LTP协议传输性能;
[0060] 2、本发明建立了一个复杂深空通信网络的LTP传递时延模型,该模型比已有的基于简化场景建立的模型精度更高,更加适用于复杂深空通信网络;
[0061] 3、针对已有研究提出的协议参数优化方法不具有一般性及可拓展性,且无法应用于复杂深空通信场景的问题,本发明提出的一种复杂深空通信网络的LTP协议参数优化配
置方法,为LTP配置合适的参数配置方案,从而提升了复杂深空通信网络中LTP的数据传输
性能;
[0062] 4、本发明的方法能够方便、迅捷地为不同通信环境中的LTP提供一套最优的参数配置方案,提升LTP在复杂深空通信网络中的数据传输性能。

附图说明

[0063] 图1是本发明的深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法实现流程图;
[0064] 图2是复杂深空通信网络仿真场景下的三种数据传输路径示意图,其中(a)、(b)、(c)分别表示经一颗、两颗、三颗UNICON卫星(NU=1、NU=2、NU=3)转发的数据传输路径;
[0065] 图3是不同通信条件下最优参数配置方案的block、segment、session的值;
[0066] 图4(a)是不同误码率条件下,配置不同参数配置方案的LTP传输性能对比图;
[0067] 图4(b)是不同链路延时的条件下,配置不同参数配置方案的LTP传输性能对比图;
[0068] 图4(c)是不同信道速率比条件下,配置不同参数配置方案的LTP传输性能对比图;
[0069] 图4(d)是bundle聚合及非聚合条件下,配置不同参数配置方案的LTP传输性能对比图。

具体实施方式

[0070] 已有文献多关注于一到两跳的简化场景下的LTP参数优化,然而其研究结果在复杂深空通信网络中并不适用。本发明首先建立了一个复杂深空通信网络的LTP传递时延模
型,然后基于该模型提出了一种复杂深空通信网络的LTP参数优化设计算法,从而为LTP协
议配置合理参数,以提升LTP的传输性能。包括如下步骤:
[0071] 步骤1)建立复杂深空通信网络的LTP文件传递时延理论模型。
[0072] 假设整个LTP文件传递共经过n跳,单程延时最长的那一跳为第q跳,在第q跳上最后完成传输的block为blockq_final,考虑bundle聚合及非聚合两种情况下LTP文件在复杂深空通信网络中传输的总时延。基于以上假设和考虑,将复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延分为四个部分:从文件在源节点开始传输起,至blockq_final在第q跳开始传输止,这期间所消耗的时间;blockq_final在第q跳上的传输时延;从blockq_final在第q跳上传输完成至整个文件被目的节点完全接收,这期间所消耗的时间;bundle聚合所消耗的时间。以上四个部分之和,即为复杂深空通信网络的LTP文件传递时延理论模型。
[0073] 步骤1‑1)将复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延分为四个部分,分别为Tformer、Tblock_q_final、Tlatter、Taggre,总时延的理论模型表达式为:
[0074] Tfile_multihop=Tformer+Tblock_q_final+Tlatter+Taggre   (1)
[0075] 式中,Tfile_multihop表示复杂场景下LTP文件传递时间;Tformer表示从文件在源节点开始传输起,至blockq_final在第q跳开始传输止,这期间所消耗的时间;Tblock_q_final表示blockq_final在第q跳上的传输时延;Tlatter表示从blockq_final在第q跳上传输完成至整个文件被目的节点完全接收所消耗的时间;Taggre表示bundle聚合所消耗的时间。
[0076] 步骤1‑2)求取仅传递一个block时经历的传递回合数,以及传递整个文件时经历的传递回合数,并计算二者的均值;
[0077] 步骤1‑3)求取传输单个block时所有数据传递成功所耗时间;
[0078] 步骤1‑4)基于步骤1‑2)和步骤1‑3)所得计算结果,计算通过单个block在一跳上的平均传递总时延计算Tformer、Tlatter的值,通过单个block在一跳上的最大传递总时延计算Tblock_q_final的值;
[0079] 步骤1‑5)计算bundle聚合及非聚合两种情况下Taggre的值;
[0080] 步骤1‑6)步骤1‑4)和步骤1‑5)所得结果之和,即为复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延理论模型。
[0081] 步骤2)选择LTP协议参数中的segment、block、session进行优化设计。
[0082] 步骤3)基于步骤1)建立的理论模型,分别为block、segment、session建立优化依据,由此提出LTP参数优化设计算法(Parameter Optimization Design Algorithm for 
LTP,LTP‑PODA)。对于具体的通信环境,将其环境条件参数代入LTP‑PODA,得出最适合该通信环境的LTP协议参数配置方案。
[0083] 步骤3‑1)以“避免非对称信道中前向链路上block的确认信息的延迟等待”为原则,建立block的优化依据;
[0084] 步骤3‑2)将求取使LTP文件传递总时延最小的segment尺寸的问题,转化为凸优化问题,建立segment的优化依据;
[0085] 步骤3‑3)以“session数量能够使所有待传输数据一次性发送”为原则,建立session的优化依据;
[0086] 步骤3‑4)根据步骤3‑1)、步骤3‑2)、步骤3‑3)提出的block、segment、session的优化依据,提出LTP参数优化设计算法(LTP‑PODA),对这三个协议参数进行优化设计。首先初始化block和segment;然后利用迭代的方式,根据block和segment的优化依据求取二者的局部最优解,直到找到能够使LTP文件传递总时延最小的block和segment作为全局最优解;
在此基础上,根据实际的block尺寸调整前述得到的block和segment最优解的值,得到二者的优化设计值;最后根据session的优化依据求取session的优化设计值;
[0087] 步骤3‑5)将步骤3‑4)中求得的三个参数的优化设计值组合成为复杂深空通信网络中的LTP最优参数配置方案。
[0088] 步骤4)为在复杂深空通信网络中执行数据传输的LTP协议配置由步骤3)获得的最优参数配置方案,实现整个网络的数据传输性能的提升。
[0089] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0090] 实施例1
[0091] 如图1所示,本发明的实施例1提出了深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法。
[0092] 1、建立复杂深空通信网络的LTP文件传递时延理论模型
[0093] LTP文件传递时延理论模型可表示为:
[0094] Tfile_multihop=Tformer+Tblock_q_final+Tlatter+Taggre   (1)
[0095] 式中,Tfile_multihop表示复杂场景下LTP文件传递时间;Tformer表示从文件在源节点开始传输起,至blockq_final在第q跳开始传输止,这期间所消耗的时间,第q跳为单程延时最长的那一跳,blockq_final为在第q跳上最后完成传输的block;Tblock_q_final表示blockq_final在第q跳上的传输时延;Tlatter表示从blockq_final在第q跳上传输完成至整个文件被目的节点完全接收所消耗的时间;Taggre表示bundle聚合所消耗的时间。
[0096] 1)计算传递回合数;
[0097] a.计算仅传递一个block时经历的传递回合数
[0098] LTP协议以block为传输单元进行数据传输,在数据传输过程中,block会被分割为多个segment,因此一个block传输所经历的传递回合数由该block中所有segment经历的传
递回合数的最大值决定,即Gblock=Gseg_max,本申请以Gblock的期望来计算第i跳上仅传递一个block时经历的传递回合数kmin_i:
[0099]
[0100] 式中,kmin_i表示第i跳上仅传递一个block时经历的传递回合数,pseg_i表示第i跳上的segment丢失概率,NR表示一个block中包含红色数据段的个数。
[0101] 其中NR的计算如下。LTP提供两种传输机制——可靠传输和非可靠传输,以聚合在LTP block中的红、绿数据段来区分。红色数据段代表该段数据采用可靠传输模式,绿色数据段代表该段数据采用非可靠传输模式。假设待发送的单个block中,红色数据占比为f,则绿色数据占比(1‑f),那么一个block中包含红色数据段的个数为NR=(Lblock×f)/
Lseg_payload,其中Lblock表示单个block的尺寸,Lseg_payload表示单个segment的负载尺寸。
[0102] b.计算传递整个文件时经历的传递回合数
[0103] 假设一个尺寸为Lfile的文件被分割为Nbundle个bundle进行传输,这些bundle经BP(Bundle Protocol,BP)封装后又组合为Nblock个block,则共有Nblock=(Lfile+Lbundle_head×Nbundle)/Lblock个block进行传输,依照LTP的传输机制,每个block占用一个session,也即共需Nblock个session。其中Lbundle_head表示一个bundle经BP封装后的头部长度。则第i跳上传递整个文件时经历的传递回合数kmax_i的计算式如下
[0104]
[0105] 式中Lseg_payload_i表示第i跳上单个segment的负载尺寸。
[0106] c.计算步骤a.和b.的结果的均值kmean_i,计算式如下:
[0107] kmean_i=(kmin_i+kmax_i)/2               (4)
[0108] 2)计算单个block在一跳上完成传递的总时延;
[0109] 单个block的传递总时延由三个部分组成:数据的传输时间、传播时间和因CP(Check Point,CP)段和RS(Report Segment,RS)丢失而引起CP段和RS重传时所消耗的额外
的传递时间,下面分别对这三个部分进行计算:
[0110] a.计算单个block在一跳上的传输时间
[0111] 一个block会被分为多个segment进行传输,假设一个segment在传输时服从几何m‑1
概率分布,则第m次传输成功的概率为Pseg_m=pseg ×(1‑pseg),其中pseg表示segment的丢失概率,则第i跳上每个segment的传输总次数的期望值为:
[0112]
[0113] 由于数据在网络中传输时,途径的每一跳的数据发送速率不一定相同,因此令Rdata_i表示数据在第i跳传输时数据信道的数据传输速率,则block在第i跳上的传输时间
Ttrans_i的计算式为:
[0114]
[0115] 式中,Lseg_frame_i表示在第i跳上,一个segment在物理信道上传输时的尺寸(包括了各个下层协议封装时的头部信息尺寸)。
[0116] b.计算单个block在一跳上的传播时间
[0117] 传播时间Tprop主要由成功传输NR个segment时经历的传递回合数k(k≥1)所决定。由于数据在网络中传输时,途径的每一跳的单程时延不一定相同,因此令Tdelay_i表示数据在第i跳链路上传输时的单程时延,则单个block在第i跳上的传播时间Tprop_i的计算式如
下:
[0118]
[0119] 式中,LRS_frame表示RS在物理信道传输时的尺寸(包括了各个下层协议封装时的头部信息尺寸),RACK_i表示第i跳上ACK信道的数据传输速率。
[0120] c.计算单个block在一跳上的额外传递时间
[0121] CP段或RS丢失会导致相应定时器到期而引起CP段或RS的重传,定时器到期所消耗的时间则会使整个传输时间额外增加。假设定时器到期时间为Tex(Tex=2Tdelay+β,其中β为定值,且至少包含RS的发送时间)。假设pCP_i、pRS_i分别表示第i跳上CP段和RS的丢失概率,则第i跳上CP段或RS丢失的概率为pCP_RS_i=1‑(1‑pCP_i)×(1‑pRS_i)。由此可以计算出第i跳上每个CP段和RS传输次数之和的期望值:
[0122]
[0123] 则由于CP段和RS的丢失而消耗的额外传递时间Tex_time_i的计算如下:
[0124]
[0125] d.则单个block在第i跳上完成传递的总时延Tblock_i为:
[0126] Tblock_i=Ttrans_i+Tprop_i+Tex_time_i            (10)
[0127] 3)计算Tformer、Tblock_q_final、Tlatter的值;
[0128] a.计算Tformer
[0129] 将Tformer按照前(q‑1)跳的跳数,分割为Tformer_1、Tformer_2、…Tformer_a、…、Tformer_q‑1共(q‑1)个部分,其中每部分均包含了一个block在该跳上传输的平均传递总时延。因单个block的传递总时延由传输时间、传播时间和额外传递时间三个部分组成,则一个block在第a跳上传输的平均传递总时延由平均传输时间Ttrans_a_mean、平均传播时间Tprop_a_mean和平均额外传递时间Tex_time_a_mean组成,三者的计算式如下:
[0130]
[0131] 则Tformer的计算式为:
[0132]
[0133] b.计算Tblock_q_final
[0134] Tblock_q_final的值为单个block在第q上传输时的最大传递总时延:
[0135]
[0136] c.计算Tlatter
[0137] 对于Tlatter,同样可以按照后(n‑q)跳的跳数(其中n表示数据由源端传递到目的端一共途径了n跳),将其分割为Tlatter_q+1、Tlatter_q+2、…Tlatter_a、…、Tlatter_n共(n‑q)个部分,其中每部分同样均包含了一个block在该跳上传输的平均传递总时延,则Tlatter的计算如下:
[0138]
[0139] 4)计算bundle聚合及非聚合两种情况下Taggre的值;
[0140] 假设一个文件被分为Nbundle个bundle进行传输,这些bundle又组合为Nblock个block,当Nbundle>Nblock时,表示一个block由多个bundle聚合而成,而当Nbundle=Nblock时,表示一个block仅包含一个bundle,bundle处于非聚合状态。令bundle聚合为block所消耗时
间为Taggre。
[0141] 在聚合状态下,该聚合时间主要受到各通信节点处理聚合操作时的速率λ的影响,假设ω表示单个节点上的block的聚合时间,tlim表示LTP协议设置的最长聚合时间,则此时Taggre计算式推导如下:
[0142]
[0143]
[0144] 在非聚合状态下也即Nbundle=Nblock时,聚合时间为0,此时Taggre为:
[0145] Taggre=0                       (17)
[0146] 5)计算复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延;
[0147] 复杂深空通信网络的LTP文件传递总时延Tfile_multihop由Tformer、Tblock_q_final、Tlatter、Taggre四个部分组成,则Tfile_multihop计算式为:
[0148] Tfile_multihop=Tformer+Tblock_q_final+Tlatter+Taggre   (18)
[0149] 式中Tformer、Tblock_q_final、Tlatter、Taggre可由步骤1)~4)的计算结果得来。
[0150] 2、优化参数选择
[0151] LTP协议中对其性能影响最大的参数包括“block”的尺寸、“segment”的尺寸和“session”的数量选择,因此选择这三个参数进行优化设计。
[0152] 3、参数优化设计及优化配置方案选择
[0153] 1)建立block优化依据
[0154] LTP传输数据时,确认信息RS以block为单位发送,即一个block对应一个RS,为了应对深空通信环境中链路的非对称特性,避免前向链路上block的确认信息RS的延迟等待,block的发送时间应大于RS的发送时间。另外,LTP规定block是被分割为若干个segment后
再进行后续传输的,因此block尺寸至少应该大于segment尺寸,则block优化依据如下:
[0155]
[0156] 2)建立segment优化依据
[0157] segment选择问题可转化为凸优化问题,表达式如下:
[0158]
[0159] 式中,Lseg_payload_a表示第a跳上segment的负载大小,Lseg_header表示segment的头部信息尺寸。对于数据传输过程中,途经的单程链路时延最大的链路之前的每一段链路,Ta(Lseg_payload_a)=Tformer_a(Lseg_payload_a);对于单程链路时延最大的链路,Ta(Lseg_payload_a)=Tblock_q_final(Lseg_payload_q);对于途经的单程链路时延最大的链路之后的每一段链路,Ta(Lseg_payload_a)=Tlatter_a(Lseg_payload_a)。另外,LMTU表示链路层的MTU大小,LMTU=1500bytes;
由于Lblock通常比MTU大,因此这里可以忽略Lblock大小约束。
[0160] 凸优化问题的最优解应满足Karush‑Kuhn‑Tucker(KKT)一阶必要条件,令KKT乘数为μ1*,μ2*,则求解每一段链路上segment最优解Lseg_payload_a*的计算式如下:
[0161]
[0162] 3)建立session优化依据
[0163] 考虑bundle聚合及非聚合两种情况,则session的优化设计的计算式如下:
[0164]
[0165] Nsess_opt=1.2×(Lfile/Lblock_act)            (23)
[0166] 式中Lblock_act表示block的实际聚合尺寸,Nsess_opt表示session的优化选择值。
[0167] 4)LTP参数优化设计算法(LTP‑PODA)
[0168] LTP‑PODA算法步骤如下:
[0169] 第一步,令每段链路上的Lseg_frame_a=1500bytes,将其代入式(19)求得Lblock的最小值Lb_min;
[0170] 第二步,将Lb_min代入式(12)、(13)、(14),通过求解式(21)找到每一段链路上满足KKT一阶必要条件的局部最优Lseg_payload_a*,此为segment的局部最优解;将由式(21)求得的Lseg_payload_a*代入式(19)求得每一段链路上block尺寸的最小值Lb_min_a,并取这些值中的最大值赋给Lb_min,此为block的局部最优解;
[0171] 第三步,判断是否找到使Tfile_multihop最小的Lseg_payload_a*、Lb_min数值,若是则令最终的Lseg_payload_a*、Lb_min值分别为Lsegment_opt_temp、Lblock_opt_temp,并转到第四步;若否,则转到第二步;
[0172] 第四步,根据式(22)计算Lblock_act,将其与Lblock_opt_temp进行比较,若Lblock_act=Lblock_opt_temp,则block和segment的优化设计值为Lsegment_opt=Lsegment_opt_temp、Lblock_opt=Lblock_opt_temp;若Lblock_act
[0173] 第五步,根据式(23)即可求得session的优化设计值Nsess_opt。
[0174] 5)获取不同通信环境下的LTP参数优化配置方案
[0175] 对于不同的通信环境,将其环境条件代入LTP‑PODA,从而获得的Lblock_opt、Lsegment_opt、Nsess_opt值组合成该通信环境下LTP参数的优化配置方案。
[0176] 4、为在复杂深空通信网络中执行数据传输的LTP协议配置由步骤3中的第5)步获得的最优参数配置方案,从而实现整个网络的数据传输性能的提升。
[0177] 通过仿真展示本申请的技术效果。
[0178] 仿真场景如下:
[0179] ·仿真场景为火星‑UNICON‑GEO‑地球(通用行星际通信网络,Universal Interplanetary Communication Network,UNICON)的复杂深空通信网络场景;
[0180] ·网络中包含1个火星探测器、6颗UNICON卫星、1颗GEO卫星及1个地面站,共九个通信节点,数据传输路径示意图如图2所示,其中U1~U6表示六颗UNICON卫星;
[0181] ·仿真参数配置如表1所示。
[0182] 表1复杂深空通信网络的LTP协议参数优化配置方法的仿真实验参数配置
[0183]
[0184] 在以上复杂深空通信网络场景下,根据表1所示的不同的链路环境,利用本申请提出的配置方法,为LTP提出相对应场景下的参数配置优化方案,并在不同环境下与其他参数配置方案进行性能比较,从而验证本申请提出的配置方法在LTP性能提升方面的有效性。
[0185] 仿真实验共设计8个配置方案。方案1代表三个参数均被优化的参数配置方案。方案2、方案3、方案4分别代表仅block或segment或sesssion未被优化的方案。方案5、方案6、方案7分别代表只有block或segment或session被优化了的方案。方案8代表三个参数均未
经优化的方案。
[0186] 在方案2~8中,选取500KB作为block的未优化尺寸,选取LMTU‑100=1400bytes作为未优化segment大小,若Lblock=1bundle,则以1/2×(Lfile/Lblock)(其中Lblock与Lblock_act与相等)计算出Nsess值作为未优化的session数量值,若Lblock>1bundle,则以1.2×(Lfile/Lblock)(Lblock≠Lblock_act)计算出Nsess作为session的未优化值。block、segment、session三者在不同链路环境下的优化值由本申请所述的配置方法获得,如图3所示。
[0187] 仿真结果:图4(a)为不同误码率条件下,配置不同参数配置方案的LTP传输性能对比图;图4(b)为不同链路延时的条件下,配置不同参数配置方案的LTP传输性能对比图;图4(c)为不同信道速率比条件下,配置不同参数配置方案的LTP传输性能对比图;图4(d)为
bundle聚合及非聚合条件下,配置不同参数配置方案的LTP传输性能对比图。由这四幅图可知,无论何种链路环境下,将利用本申请所述的参数配置方法获得的LTP参数优化配置方案配置给LTP,与为LTP配置其他参数配置方案相比,能够获得更优的传输性能。
[0188] 最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方
案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明
的权利要求范围当中。