面向空间通信的DTN一体化传输性能约束研究

杨冠男，赵康僆，封涛，李嵩，刘金良

1. 南京财经大学 信息工程学院，南京 210023 2. 南京大学 电子科学与工程学院，南京 210046 3. 南京电子设备研究所，南京 210000

1 引言

空间通信已将科学研究、人类文化拓展到太空空间[1-2]，为深空探测、导航定位、远洋勘探等应用提供必要的支撑与服务，是全球科学家的研究热点[3]。随着航空航天技术、卫星和载荷技术及面向物联网的空间应用发展，空间通信在载人航天、深空探测、空间科学实验等领域需求不断提升，形成空、天、地互联的异质异构综合性复杂网络。然而目前空间通信中，体系异构、协议多样，各系统烟囱林立，缺乏协议架构统一融合。而着眼于未来空间通信的发展需求，一体化空间通信并非砍倒“烟囱”是必然趋势，因此在多协议并存的条件下，兼容协同多种传输机制，在保障各专用空间系统之间可靠的互联互通前提下，优化空间通信传输性能，是未来发展过程中较为紧迫的现实问题。

空间通信环境和链路特性不同于地面通信特性，存在以下影响和制约传输性能的显著特征：①多种网络结构共存，协议体系机制多样化。②网络拓扑动态时变，节点间歇性连接。由于节点不断运动及自然环境因素影响，网络拓扑结构时变，节点之间通信时断时续，甚至导致链路中断。③传输时空尺度大。与地面网络相比，空间的传输路径较远，造成传输时延较长，带宽延迟积较大。④误码率较高。空间通信的微波、激光链路等传输介质受环境的影响大，相比于地面网络链路稳定性较差，传输误码率较高。⑤非对称的下上行带宽。空间节点到地面节点的下行速率高，而地面节点到空间节点的反向上行速率低[4]。以上特征对地面成熟的网络技术提出巨大挑战，甚至不能进行有效的数据传输，因此本文针对空间通信特性并着眼于空间通信一体化发展趋势，研究基于DTN(delay tolerant networking)协议架构面向多协议机制兼容的一体化传输方法。

2016年6月，美国国家航空航天局(NASA)在国际空间站已进行了DTN网络测试，结果表明DTN可为深空和火星探测任务提供可靠的通信服务，已被NASA以及喷气动力学实验室(JPL)作为权威推荐应用于美国空间通信网络建设。2017年，DTN协议已成为国际空间站的标准。该协议也得到了互联网之父Vint Cerf的认可和大力推广，并在利用DTN协议构建外太空互联网。这也意味着通过DTN可将互联网扩展向整个太阳系，有效应对空间通信面临的挑战。DTN中的两大关键技术BP(bundle protocol)协议和LTP(licklider transport protocol)协议受到了研究者的广泛关注，并陆续进行标准化。在BP协议上，文献[5]给出了BP用于深空通信的性能评估，以及托管传输机制和链路上下行高非对称对传输性能的影响。文献[6]对BP协议重传机制进行优化，提升传输效率。文献[7]中研究了空间通信中长链路中断对BP协议的影响。对于DTN协议架构的另一个重要技术LTP协议，大部分研究关注与其可靠性的提升，如文献[1]给出在LTP协议中加入网络编码，以增强传输的可靠性，提高传输效率，但在协议跨层包尺寸上仍然缺少优化模型指导。文献[8]研究了在空间通信应用中，DTN协议跨层包优化设计，是目前针对DTN协议架构跨层包分析较为完备的文献，但此研究仅基于单一的协议结构。文献[9]中仅给出LTP跨层包尺寸分析，缺少真实数据流的测试验证。本文详细梳理目前空间通信主流协议体系特性及适用性，给出了DTN中关键技术LTP的处理机制和交互过程，针对LTP协议给出通用可行的跨层包尺寸优化模型，并利用半实物仿真平台的真实数据流对协议性能制约性进行评估，为空间通信可靠传输方法提供依据。

2 空间通信协议体系简析

现有用于空间通信的协议体系主要为TCP/IP、以SCPS(space communication protocol standard)协议为代表的CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)系列协议[10]和DTN协议，图1给出了3种协议在OSI模型中的对比，各自的优缺点及目前主要应用场景如表1所示。

图1 三种协议架构分层模型Fig.1 Layered models of three protocol architectures

表1 三种协议体系比较

地面互联网目前广泛应用的TCP/IP协议技术成熟，可移植性好。采用以TCP/IP为基础的空间网络协议一方面可以使空间网络更好地与地面网络实现互联互通；另一方面可利用地面互联网的成功经验和技术缩短空间相关协议的开发周期和投入。但大量研究证明，由于空间通信传输条件和空间节点组网特殊性的影响和制约，不能直接将地面互联网技术照搬至空间网络天基系统[11]。

CCSDS的SCPS协议族是最早的实现空间系统组网的国际协议[12]。但其服务对象的范围和数量受到设计之初通信水平的限制而具有一定的局限性，后期缺乏大范围的推广应用，使关键传输控制机制并未随逐步得到优化和改进，导致其体系架构无法适应未来众多节点的空间网络海量通信需求，正逐渐退出历史舞台，CCSDS官网上已经对此进行了说明。

DTN[13]起源于面向深空通信与网络的星际互联网项目，是一种通用的面向消息的覆盖层网络体系结构，协议栈结构如图1所示，且具备协议兼容及扩展能力，可加载多类已部署的网络通信协议。具有应对于动态拓扑、长可变传播延时及随机中断链路的功能和机制，非常适用于具有挑战性的空间通信环境，尤其对于高误码率、大时空尺度下的间歇性连接[14-15]。DTN协议是目前空间覆盖网络中最成熟的关键技术，美国NASA以及喷气动力学实验室(JPL)将其推荐应用于美国空间通信网络建设中。因此，采用覆盖网络的方法实现异构网络的互联互通，是满足空间通信网络协议架构需求较为可行的方法。

DTN中的BP协议具备托管传输、超时重传和差错编码等机制对传输的可靠性提供保障，并通过汇聚层适配器(如图1中LTPCL、UDPCL、TCPCL)可兼容多种传输机制，保障不同通信环境的通信需求，汇聚层通常适配的协议为LTP、UDP及TCP。其中，TCP适配[16]其传输层采用TCP协议，需要建立连接，采用双工的通信方式，可在DTN端点间提供可靠传输，具有流量控制和拥塞控制机制，将BP层的处理单元束(bundle)分片传输。UDP适配[17]不保障传输可靠性，没有拥塞控制机制，要求覆盖层的束尺寸不能大于UDP最大数据报长度64Kbyte，即没有分片机制，UDP适配主要用于单播和广播。相比而言，源于星际链路的传输协议LTP[18]，可以直接应用于链路层之上，提供可选的可靠和非可靠传输服务，可应对具有较大带宽延迟积的通信环境，在长延迟、可变长中断的通信环境中无丢失的传输，不需要依靠稳定的通信往返时延，但相比于TCP，LTP缺乏成熟的流量和拥塞控制。因此，本文针对空间通信的链路特性，重点研究具备可靠传输机制的LTP、TCP适配以及二者组合的传输性能，以及应对空间恶劣通信环境的能力。

3 LTP块尺寸优化

3.1 LTP协议机制

LTP的数据交互过程如图2所示，其中 “红色部分”通过确认和重传保障可靠传输，其后的 “绿色部分”不保障传输的可靠性，即LTP协议对红色数据采用可靠传输，而对绿色数据采用不可靠传输。因此，实际应用中若需要保证整个数据块的可靠传输，将绿色部分长度设为0。同样，也可将整个数据块均设为绿色数据。图2中，红色部分的结束通过其最后一个片段EORP(end of red part)标识，此片段同时也作为检验点CP(checkpoint)，用于指示接收端反馈数据块的接收情况，整个数据块的结束采用EOB(end of block)标识。在交互过程中，接收端收到校验点CP时，立即回复确认报告RS(report segment)告知发送端红色数据的接收情况，且一个RS对应一个CP。发送端收到RS后，便即刻回复确认报告RA(report acknowledgment)。值得注意的是，为确保可靠性通信双方在发出CP或回复RS时，均会启动各自的本地重传计时器，以便于在计时器限制内未收到相应确认时，进行自动重传。

图2 LTP数据传输交互过程[19]Fig.2 LTP data transmission interaction process

在跨层交互上如图3所示，LTP将BP的服务数据单元bundle封装为LTP数据块(block)，默认一个bundle封装为一个block。由于LTP机制中红色数据的确认是通过对block的确认，即一个block一个确认。也有研究表明，可将多个bundle汇聚在一个block中，以限制确认数量，减小非对称的链路中上行数据压力。每个block的交付过程称之为一个会话(session)，每个会话相当于一个输出队列，仅当队列中前面所有的block均正确交付后，才能发送会话中当前的block。LTP再依据数据链路层最大传输单元(MTU)将每个block分割为若干个LTP数据段(segment)，通过链路层将其封装为数据帧进行传输。

图3 LTP传输协议的汇聚与块分段Fig.3 Aggregation and block segmentation of LTP transmission protocol

3.2 LTP的块尺寸优化数学模型

由上述LTP机制可见，block尺寸决定了一个会话每次发送的数据量，虽然block越大，链路带宽利用率越高，反向确认越少有益于减少反向链路压力。但是在高误码率及存在随机中断的链路中，较大block正确交付概率较低，除了导致多次重传之外，增大了block在输出队列中的排队时延，增加服务数据的正确交付时延，尤其在往返时延较大的空间通信场景中更为凸显。而block尺寸越小，增加了确认信息数量，也降低了链路带宽利用率，影响交付效率。因此，在block尺寸对协议传输性能有着重要影响，虽然BP和LTP协议已经进行标准化，但对协议跨层包尺寸缺乏理论说明。本小节将对LTP协议的block块汇聚尺寸进行建模研究，并指导后续传输性能分析。依据美国国家航空航天局JPL开发的Interplanetary Overlay Network(ION)3.6.0中关于LTP配置建议，LTP协议的块尺寸选择具体建模如下，模型中符号的定义如表2所示。

表2 符号定义

如图3所示，为避免拥塞，发送端与接收端之间所建立的最大会话数，应取决于之间正在传输的最大数据量和预计输出的block长度，即：

(1)

式中：传输的最大数据量Lmax.exp_data为发送、接收端间，往返传播时间内发送的数据量，以字节为单位。

Lmax.exp_data=2×TOWL×Rest.red/8

(2)

(3)

由式(3)可见，Lser.data_unit和Lexp.agg_block均不大于Lest.exp_block。因此，在LTP的服务数据单元不超过block尺寸的情况下，下式成立：

(4)

(5)

式中：Tagg.time_limit在ION3.6.0中给出最小的汇聚时间限制为1 s，本文后续的研究采用此默认值。因此若满足在汇聚时间内，则：

(6)

又由于Rest.red=Rdata，因此在DTN结构中当使用LTP作为传输协议时，其block汇聚尺寸限制可通过下式给出：

Lagg.size_limit=2×TOWL×Rdata/8

(7)

同时可得每秒传输的最大block数Nmax_block如公式(8)所示。

Nmax_block=Rdata/(8×Lagg.size_limit)

(8)

4 传输性能比较分析

在计划或预定连接的网络拓扑条件下，误码率、传播时延、链路非对称是影响传输性能的关键因素。以下将针对这3个主要因素，采用静止轨道GEO以下通信场景，对DTN空间应用的TCP和LTP协议传输性能进行比较分析，研究空间链路特性对协议传输性能的影响和制约。

4.1 实验配置

一般而言低轨卫星(low earth orbit，LEO)的轨道高度在500～1 500 km，中轨卫星(medium earth orbit，MEO)是5 000～20 000 km，静止轨道卫星(geostationary earth orbit，GEO)的高度约35 876 km。除纬度大于75°的两极地区，利用3颗间隔120°的静止轨道GEO卫星就可以实现全球绝大区域的覆盖，通过静止轨道卫星为中继的3种典型传输场景如表3所示。其中GS为地面站，场景1为直接通过中低轨卫星过顶发送；场景2为地面站离开中低轨卫星的通信窗口，通过高轨卫星一跳中继传输；场景3为通过两颗高轨卫星多跳中继传输。传输时延和误码率两方面链路特性有显著变化。为了折中说明静止轨道以下空间通信环境对协议性能的制约，本文采用如上所述的场景2，其拓扑结构如图4所示。

表3 三种传输场景的传输时延和传输路径

如图4所示LEO将数据转发给地面站的过程中，若利用GEO中继转发，在传输过程中为多跳，若每跳采用不同的传输协议，会有多种不同的传输协议组合，而不同协议组合可能对传输性能造成影响。由于本文仅研究提供可靠服务的TCP和LTP，因此重点研究这两种方法及二者组合的传输性能，即BP/LTP/IP、BP/ TCP/IP、BP/LTP /IP+BP/ TCP/IP组合的3种形式，并且以上的BP协议均托管去使能。采用半实物仿真测试平台进行真实数据流测试，其结构如图5所示，5台安装DTN等相关协议的测试结构，分别作为源节点、链路模拟器、中继节点和目的节点，其中链路1主机模拟LEO到GEO 的链路特性，链路2主机模拟GEO到地面站GS的链路特性。在仿真验证中，通过Netem模拟实现链路特性模拟，主要包括链路的传播时延、误码率、上下行发送的速率等，BP协议和LTP协议利用JPL开发的ION3.6.0实现，实验参数配置如表4所示。

图4 实验拓扑图Fig.4 Experimental topology

图5 测试平台结构Fig.5 Test platform structure

表4 实验参数配置

4.2 实验结果简析

在半实物仿真平台实验中，通过在发送端传输大小为20 Mbyte文件的真实数据流，利用接收端正确接收所有数据后的有效吞吐量(Goodput)衡量协议传输性能，链路模拟器的不同配置分析链路特性对协议性能的制约。图6首先分析了误码率对协议传输性能的影响。即为信道非对称为1∶1时，信道误码率对传输性能的影响。由图可见，去耦合信道对称特性，当信道误码率小于10-7时，3种方式传输性能相当并不悬殊，而随着信道误码率的增大，LTP+TCP和TCP两种方式有效吞吐量急剧下降，严重影响传输性能。由此可见，对于误码率较低的空间通信场景，仍然可以采用成熟的TCP传输方式，但随着误码率的提高，TCP传输性能受到严重的制约，而LTP在应对高误码率的空间通信场景却表现出较好的特性，应用LTP进行此类场景的传输更加稳定有效。

图6 误码率对协议性能的影响Fig.6 Effect of bit error rate on protocol performance

图7则关注信道非对称特性对协议传输性能的制约。即误码率0时，在不同信道非对称比例下，3种方式有效吞吐量Goodput的对比。可见在下行速率/上行速率小于50∶1时，3种协议性能相差不太大。当信道非对称比例大于50时，TCP性能急剧下降。信道非对称比例在小于200时，LTP和LTP+TCP性能接近，而当信道非对称继续加剧时，由图7可见，LTP+TCP性能急剧恶化，但LTP有效吞吐量基本保持稳定。这表明LTP在应对信道非对称特性上具有很好的特性。

图7 信道非对称对协议性能的影响Fig.7 Effect of channel asymmetry on protocol performance

图8(a)为误码率10-7时，不同信道非对称比例下，3种方式有效吞吐量Goodput的对比。可见LTP协议的性能比较稳定，并优越于其他两种方式。图中显示，在信道非对称比例小于25时，协议性能上有一定的差距，其中TCP性能最差。而当信道非对称比例大于25时，除了LTP之外的两种方式有效吞吐量均急剧恶化。

图8(b)为误码率是10-6时，信道非对称特性对3种传输方式的性能影响。由图可见随着信道非对称比例的增加，TCP和LTP+TCP性能接近，LTP展现出更为明显的优势，有效吞吐量上拉开了更大的差距，这表明LTP可以更为有效地应对高误码率的空间非对称信道特性，更适用于具有挑战性的空间通信环境。

图8 误码率&信道非对称对协议性能的共同影响Fig.8 Joint effect of bit error rate and channel asymmetry on protocol performance

5 结论

本文主要研究DTN应对空间通信链路长延迟、高误码率和链路非对称特性的能力，评估静止轨道GEO以下的通信场景，未涉及深空通信，所以没有对误码率过高的通信场景进行验证。但从实验结果可见，对于信道误码率而言，地面互联网成熟的TCP技术传输性能的制约是需要小于10-7，而信道非对称比例方面需小于50，TCP方能正常工作。因此，近地端的空间通信场景中，TCP仍可以使用，其传输性能不会出现大幅度下降。LTP+TCP两种组合形式的性能略好于TCP，但随着网络环境的恶化，其性能急剧恶化。而LTP呈现出很好的特性，尤其随着误码率及信道非对称比例的增大，其优越性越发明显。因此，针对具有稍高的信道非对称比例和误码率的空间通信场景，TCP并不适用，而LTP相比具有较强的应对能力，可以保障通信的有效性和可靠性，且传输性能相对更加稳定。因此在应对挑战性的空间通信场景，LTP是首选的传输协议。后续工作中仍需要进一步深入研究，针对复杂的空间网络结构，研究基于DTN的自适应动态路由和开环的拥塞控制机制，为DTN的空间应用提供更为全面的依据。