深空DTN网络中LTP协议的额外传输开销优化

王洋 杨宏 陈晓光 丁凯

(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094)



深空DTN网络中LTP协议的额外传输开销优化

王洋 杨宏 陈晓光 丁凯

(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094)

针对深空延迟/中断容忍网络(DTN)能量资源有限，而利克里德传输协议(LTP)段大小对额外传输开销影响明显，需要确定最优的LTP段大小的问题，文章分析了深空DTN网络的数据传输过程，利用深空DTN网络中额外传输开销的数学理论模型，通过求导的方法计算出了LTP段大小的最优值，并得到了最优化问题的解析解。数值仿真结果表明：通过解析解表达式得到的LTP段大小的最优值与该最优化问题的数值解重合，在深空通信时采用此方法，可快速精准地选择LTP段大小，也可大幅减小额外传输开销。

延迟/中断容忍网络；利克里德传输协议；深空通信；段大小优化；额外传输开销；解析解

1 引言

深空网络是由深空行星网络、过渡轨道器网络、地球网络等互连组成的空间网络，旨在为深空任务提供数据通信业务及探测器和深空轨道器的导航业务。深空网络与地面互联网相比，具有明显的区别：长传播时延、断续的链路连接、非对称的带宽、极高的链路误码率等，这都使得在地面上运行良好的传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)不能应用于深空网络[1-2]，因此，延迟中断容忍网络(DTN)应运而生[3-4]。DTN通过在原网络协议体系的底层协议上覆盖一个新的称之为束协议(BP)[5]的传输协议来实现消息的存储转发。运行在BP协议下用来实现束交换的底层协议被叫做汇聚层协议，利克里德传输协议(LTP )协议[6-7]是专门为高延迟和断续链路而设计的汇聚层协议。

航天器在空间探测尤其是深空探测中，由于能量资源非常有限，因此需要研究降低额外传输开销的方法。目前已有大量降低DTN网络中额外传输开销性能的研究[8-12]。这些研究表明，在DTN网络中，束大小对于额外传输开销影响不大，而LTP段大小的影响明显。但已有研究多数采用试验的手段对LTP段大小的影响进行定性分析或者使用启发式算法求解LTP段大小的最优值，且多数不是针对于深空通信场景。在深空DTN网络中，考虑最小化额外传输开销时，缺乏LTP段大小最优值的解析表达式。

因此，本文基于额外传输开销的理论模型和最优化问题，通过求导的方式，分析了LTP段大小的取值对于额外传输开销的影响，求出了LTP段大小最优值的解析表达式，分析了误码率对LTP段大小最优值的影响。在地球-火星通信场景不同误码率下进行仿真，对LTP段大小最优值的解析解与以往文献得到的数值解进行比较，验证了该解析解表达式的正确性。同时，比较了使用该解析解表达式得到的最优LTP段大小时需要的额外传输开销与使用常用LTP段大小时需要的额外传输开销，验证了LTP段大小对于额外传输开销的影响。

2 深空DTN网络额外传输开销的理论模型

本节首先给出深空DTN网络的数据传输过程，包括DTN网络中各层协议数据单元(PDU)分割与封装机制及LTP协议的重传机制。随后，依据深空DTN网络额外传输开销的理论模型，并通过分析数据传输过程，将LTP段大小对于理论模型的影响进行了定性的分析。

2.1 深空DTN网络的数据传输过程

在深空DTN网络中各层协议数据单元分割与封装过程如图1所示：在发送端，源文件被分割为多个束，考虑LTP的汇聚作用，M个束会被汇聚成一个LTP块，每个LTP块再分割为L个LTP段，再加上链路层帧头，组装成链路层帧传给物理层进行传输。接收端的接收过程与此相反。

图1 DTN中各层协议数据单元分割与封装示意图Fig.1 PDU encapsulations and segmentations in DTN

现介绍LTP协议的重传机制。每个LTP块包含两部分，每部分的大小均可为0。第一部分叫做“红色部分”，使用应答和重传来保证可以被接收端成功地接收。LTP块的另一部分叫做“绿色部分”，包含不可靠传输的数据。红色部分的最后一个数据段被标记为校验点(Checkpoint,CP)，接收端收到CP后将会反馈一个相应的报告段(Report Segment,RS)给发送端。如果LTP块中红色部分被正确接收，则RS是一个肯定的应答，否则该RS是一个否定的应答，丢失的数据将会重传。发送端接收到了RS，则回复一个报告应答段(Report Acknow-ledgment,RA)给接收端来响应该RS。RSs和CPs都是基于定时器的，如果相应的定时器超时，则会重传RSs和CPs。

2.2 深空DTN网络额外传输开销的理论模型

文献[12]中研究深空DTN网络传输开销的理论模型，定义额外的传输开销Wextra为总共传输的数据量Wt与信息数据量Ws间的差值和信息数据量Ws的比值，即

(1)

额外的传输开销Wextra由额外的重传开销Wr和额外的协议开销Wo两部分组成，表示为

(2)

(3)

Wextra=Wr+Wo

(4)

式中：Ll为LTP段大小，Llh和Llm分别为LTP段头部大小和LTP段中元数据的大小。Ldh为数据链路层的头部大小，Lb为束大小(不包括束头)，Lbh为束的头部大小。pseg为数据链路层的误帧率，见式(5)

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

(5)

式中：pe为链路误码率。

由式(1)～(5)可以看出：当段大小较短时，每段因误码而需重发的概率又较低，重传开销较小；但是分段多了，协议包装的开销却会较大。因此为了减小额外开销存在一个合理优化的问题，即需要选择一个LTP段大小的最优值。

3 LTP段大小最优值设计

本节将LTP段大小对于额外传输开销的影响归结为最优化问题，通过求导的方式推导出LTP段大小最优值的解析表达式。

3.1 最优化问题的提出

由式(2)、(3)和(4)可以看出，在给定误码率和各层包头大小的条件下，传输给定文件时，额外传输开销Wextra仅与LTP段大小Ll有关(已有文献[8-9，11-12]表明束大小Lb对其影响可以忽略)，因此，可以将LTP段大小对于额外传输开销的影响归结为一个带约束的非线性最优化问题，使用最优化算法例如模拟退火算法[13]可以求解最优化问题。首先，确定目标函数和约束条件，目标函数为Wextra(Ll)。优化问题描述如下：

s.t.Llh+Llm

(6)

考虑到目前LTP段大小最大值为1400byte(这是目前文献[8-12]中经常使用的一种配置)。通过上述最优化问题的求解，可以得到一定误码率条件下，LTP段大小最优值的数值解，此时得到的目标函数值是最小的额外传输开销。

3.2 LTP段大小最优值的解析解

使用最优化算法求解最优化问题得到数值解，收敛较慢且不精确，因此，下面计算出了最优化问题的解析解。将式(4)对Ll求导，可以得到

(7)

令式(7)为0，可得到函数Wextra(Ll)的驻点为

(8)

当pe很小时，ln(1-pe)≈-pe，且Ldh、Llh和Llm为头部和元数据大小，均很小(小于10byte)，所以式(8)可以简化为

(9)

上述两种情况可以表示为

(10)

由式(10)可以看出，LTP段大小的最优值仅与深空信道的误码率有关，与其他因素比如文件大小、链路速率或者信道传播时延均无关。

本节中根据理论模型求最优值解析解的方法适用于一般的同等QoS数据传输过程，可以用于使用其他汇聚层协议的DTN场景。

4 仿真结果与讨论

4.1 仿真场景描述

从火星到地球的通信系统包括地面站、火星中继卫星、火星着陆器等，如图2所示。为了给火星着陆器提供更长的通信时间，火星中继使用了文献[14]中提出的中继星座方案。假设火星着陆器降落在火星盖尔陨坑附近，具体位置为火星的5.45°(S)、137.8°(E)，地球站分别位于我国东西两端的喀什和佳木斯。利用STK软件，对上述场景中通信链路可见性及链路时延进行了仿真，仿真起始时间为2017年6月1日。通过仿真可以得出，火星通信网络中任意两个网络节点之间并不一定时刻存在端到端路径，且地球站与火星中继之间的路径传播时延较长，通常为10分钟量级，是一个典型的空间DTN网络。

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

设计地球-火星通信中网络协议栈如图3所示，红色边框部分表示通信网络是由地球-火星骨干网络和火星着陆器接入网络组成。在地面站、火星中继卫星、火星着陆器等节点上使用DTN协议栈，DTN协议栈利用BP协议(图3中黄色部分)的存储转发机制，能够较好地解决长时延和间歇链路导致的问题，适用于地球到月球乃至更远距离的深空通信。DTN协议栈中使用LTP协议作为空间链路的汇聚层协议，可以支持具有长链路时延、高误码率、信道非对称等特点的深空链路的可靠通信。火星中继卫星到地球站的单向传播时延设为10 min，返向链路数据速率为2 Mbit/s，前向数据链路仅用来传输小的RSs，速率为4 kbit/s，即非对称速率比为500∶1。场景中使用的其他参数如下：束大小为80 kbyte，束头大小为40 byte，LTP块中全为红色可靠数据，LTP块大小为240 kbyte，LTP段中头部和元数据大小共为10 byte，数据链路层帧头部大小为6 byte。信道误码率采用1×10-5，5×10-6，1×10-6和1×10-7，发送文件的大小从1 Mbyte变化到100 Mbyte，步长为1 Mbyte。

图3 地球-火星通信场景中DTN网络协议栈Fig.3 DTN protocol in Mars to earth communication scenario

4.2 结果对比分析

设文件大小为1 Mbyte，将式(10)中最优化问题的解析解与使用优化算法(3.1节)得到的最优化问题的数值解进行比较，如图4所示。图4中横坐标为误码率，取值分别为1×10-5，5×10-6，1×10-6和1×10-7，纵坐标为最优LTP段大小的数值。其中紫色圆圈代表了在各个误码率下的最优LTP段大小的数值解，而黑色五角星代表了在各个误码率下的最优LTP段大小的解析解。可以看到，这两种方式计算得到的最优LTP段大小重合，说明本文中式(10)的正确性。同时，变化发送文件的大小从1 Mbyte变化到100 Mbyte，步长为1 Mbyte，不会对图4中两种方式得到的最优值产生影响。

图4 最优化问题的解析解与数值解的对比图Fig.4 Comparisons of analytical solution and the numerical solution of the optimization problem

图5分别给出了采用最优的LTP段大小与采用常用的LTP段大小(1400 byte)时，在不同信道环境下，传输文件时所需额外传输开销。由图5可以看出，在信道误码率为1×10-5条件下，使用最优的LTP段大小将消耗0.075 4(额外传输开销)，而使用常用的LTP段大小将消耗0.132 7(额外传输开销)，因此使用最优的LTP段大小将节省43%(额外的传输开销)，相比于使用常用的LTP段大小。在信道误码率为5×10-6条件下，使用最优的LTP段大小相比于使用常用的LTP段大小节省了26%(额外传输开销)。当信道误码率较低时，如为1×10-6和1×10-7，这两种方案的性能没有明显差别。同时，注意到上述结论不会因为文件大小的变化而产生变化。

图5 采用优化LTP段大小和常用LTP段大小时所需额外传输开销对比Fig.5 Comparisons of Wextra between the scheme with the optimal LTP segment size and the scheme with the normal LTP segment size

5 结束语

本文在分析DTN协议特性的基础上，利用深空DTN网络的额外传输开销模型，通过求导的方式，分析了LTP段大小的取值对于额外传输开销的影响，并且推导出了LTP段大小最优值的解析表达式。建立地球-火星通信场景进行仿真验证，结果表明，使用解析表达式得到的LTP段大小最优值与该最优化问题的数值解重合，验证了解析表达式的正确性。在信道误码率为1×10-5和5×10-6条件下，使用LTP段大小最优值相比于使用常用LTP段大小将分别节省43%和26%的额外传输开销。本文推导出的LTP段大小最优值的解析表达式为未来深空探测组网通信时LTP协议设计实现提供了优化依据，尤其适用于星上能量资源稀缺的场景。同时需要指出，在深空DTN网络中，当关注于网络的有效吞吐量而非能量资源时，需要重新考虑LTP段大小的优化设计，这将是后续的研究内容。

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(编辑：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，研究方向为深空通信网络设计。Email：happyangw@163.com。

TP393

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.012