一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间通信网络传输层协议算法

技术领域

本发明涉及一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间通信网络传输层协议算法，属于 卫星通信技术领域。

背景技术

随着空间技术和网络通信技术的进步，卫星通信技术取得了长足的发展，而其中的低轨 道(LEO)卫星通信系统由于其构成特殊，使得其具备实现全球信号覆盖、传输时延相对小、对 地面接收终端功率要求小及对地面站依赖小等一系列的优点。因此，近些年来，低轨道(LEO) 卫星通信系统成了卫星通信方面重点研究的网络，但同时由于空间卫星网络和地面网络有很 大的不同，地面网络传输协议(TCP)在空间卫星网中的性能较差，不能直接套用地面网络， 需要适应空间卫星网络特点的针对性传输协议的出现。

随着近些年来相关协议的研究积累，空间数据系统咨询委员会(CCSDS)逐步建立起一 套空间通信协议标准，以适应空间通信领域。空间通信协议也正从单一的空间测控向未来宽 带、多业务的空间、Internet方向发展。为适应空间数据传输和多节点空间网络的发展，空间 数据系统咨询委员会(CCSDS)根据空间通信的特点规范了一套裁剪的Internet协议，称为 空间通信协议组SCPS(Space Communication Protocol Specification)，空间通信协议组SCPS 已经被国际标准化组织ISO采纳为国际标准，它包括文件协议SCPS FP(File Protocol)、传输 协议SCPS TP(Transport Protocol)、网络协议SCPS NP(Network Protocol)以及安全协议SCPS  SP(Secutity protocol)。

SCPT-TP协议是传输层协议，提供指令和数据包可靠地端到端传输，并控制传输速率， 避免拥塞，维持链路带宽利用率。传输层协议SCPS-TP针对空间卫星通信网络中时延较大、 误比特率高导致的数据包易丢失、通信间断等特点，选择和改进TCP协议中的部分机制。 SCPS-TP协议可以选用Van Jacobson和Vegas两种拥塞避免机制。

Van Jacobson和Vegas两种拥塞避免机制都是采用基于窗口的传输速率控制方式，为充分 利用带宽并避免拥塞，应使窗口尺寸接近于链路的带宽时延积BDP(Bandwidth Delay  Product)。Van Jacobson机制包括慢启动和拥塞避免。慢启动阶段，发送窗口增长与往返时 间RTT(Round Trip Time)有关，呈指数关系增长，当窗口增长到慢启动阈值后，进入拥塞 避免阶段，防止数据发送速率过快导致拥塞出现，窗口增长按照线性方式递增。直到发现丢 包出现，即认为出现拥塞，窗口缩小为初始值，重新进入慢启动阶段。而Vegas机制则是通 过测量往返时间RTT的变化来比较预期的数据传输速率与实际速率，而后调整窗口的大小。 Vegas机制将观测到的最小的往返时间RTT作为基准往返时间RTT_basic，由当前观测到的往返 时间RTT和窗口尺寸CW计算δ的值，δ的计算公式如下所示：

$\delta =\mathrm{CW}\frac{\mathrm{RTT}-{\mathrm{RTT}}_{\mathrm{basic}}}{\mathrm{RTT}}$

而后确定两个门限值α和β(α<β，一般分别取值为1和3)。如果δ<α，那么负载 轻，窗口小，可以继续增大窗口直到链路的带宽时延积BDP。如果δ>β，则是当前的发送 速率已经足够快，认为当前网络中的数据包排队时间增大，因此，发送窗口将减小以避免拥 塞出现。

对于低轨道(LEO)卫星通信系统来说，端到端时延相对地面传输来说仍然很长，较长的传 输时延会导致发送端收到接收端反馈和进行速率调节所需要的时间都较长。而Van Jacobson 机制总处于加速和减速的循环中，长时延导致反映有延迟，因此，会影响总体性能。而Vegas 机制具备一定的自我预测能力，可以主动进行调整。因此对于较长的时延来说，Vegas机制相 对性能更好些。

同时，低轨道(LEO)卫星通信系统除了传输时延较长之外，还具有其他的特性。低轨道 (LEO)卫星通信系统拓扑结构不稳定、变化频繁、内部节点变化快、路由选择和路由重构都较 多。这些都造成端到端传输的瞬间时延变化较剧烈，即往返时间RTT瞬时变化较快，会导致 性能的降低甚至出现错误。因此，针对低轨道(LEO)卫星通信系统拓扑机构不稳定，路由重构 多的特性，对SCPS-TP协议的Vegas机制进行改进，完善拥塞避免机制，改善空间传输协议， 提高LEO通信网络的整体性能。

对于Vegas机制来说，最为关键的是准确及时检测到往返时间RTT的突然变化情况。而 往返时间RTT突变的情况一般由两种原因造成。一是路由不变，只是跳数的变化。二是路由 重构造成。这两种情况都使得RTT突然变大或变小，Vegas机制难以判断往返时间RTT突变 的原因，引发的变化使得整体网络通信性能下降。

我们针对这两种原因具体分析对通信性能的影响：

一、路由重构

在低轨道(LEO)卫星通信系统中，由于拓扑结构不稳定，节点的移动速度快，路由重构的 发生非常频繁，因此，不能够忽略路由重构对于传输协议的影响。在路由重构发生时，往返 时间RTT的值应当由新路由的往返时间RTT’和路由重构时间(re-route-time)两部分组成。 发送端只是监测到往返时间RTT的变化，并不能确定是引起往返时间RTT变化的原因，因 此，也不能转却判断路由变化的具体情况。

当出现往返时间RTT变大情况时，由Vegas机制避免拥塞出现，会缩小窗口，但是往返 时间RTT的变大有可能会是因为路由扩增引起的，而路由扩增时，可以增加带宽吞吐量即扩 大窗口以保持较高效率的传输性能。因此，根据Vegas机制作出的反应与正确所需正好相反， 会导致吞吐量恶化，传输效率降低。而当往返时间RTT突然变小时，基准往返时间RTT_basic也 会更新变小，RTT_basic等于当前的往返时间RTT。因此，此时的δ＝0。这样会导致窗口增大。 发送端监测不到有可能会是路由缩减造成往返时间RTT变化，因此，会容易导致拥塞的出现。

当路由变化导致的往返时间RTT变大时，基准往返时间RTT_basic不能够及时更新，难以 监测出路由扩增造成的往返时间RTT变化，因此，会降低吞吐量。当路由变化导致的往返时 间RTT变小时，基准往返时间RTT_basic又因为更新太激进，容易导致拥塞的出现。因此，路 由重构造成网络性能下降或错误反应主要因为不能对基准往返时间RTT_basic进行准确更新。

二、路由不变，跳数变化

路由不变，跳数增加，会导致传输路径突然变大，导致往返时间RTT会明显变大，会导 致δ变大。这样根据Vegas机制避免拥塞作用，会缩小窗口，减小吞吐量。这样的反应是错 误的，降低网络的传输效率。路由不变，跳数减小，会导致传输路径突然变小，导致RTT会 明显变小，δ也会变小。根据Vegas机制避免拥塞作用，会扩大窗口，扩大吞吐量。这样的 反应也会导致错误，路径减小，吞吐量增大，会增加拥塞出现的可能。以上两种因为跳数的 突然变化导致的传输时延的变化在发送端是监测不出来的，发送端只是把时延的变化视为排 队等待的时间变化，因此，难以准确的应对这种突然的时延变化，出现的反应也会错误。

目前，现有的SCPS-TP协议不能够准确判断跳数变化和路由重构带来的往返时间RTT 的变化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间通信网 络传输层协议算法；

本发明对现有的Vegas机制进行改进，对网络层协议即SCPS-NP协议包头信息进行调整， 准确判断往返时间RTT变化的原因，是因为拥塞还是因为跳数变化或路由重构，修改基准往 返时间RTT_basic，完善传输层协议SCPS-TP协议。

本发明的技术方案为：

一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间通信网络传输层协议算法，SCPS-NP协议 Header字段增加一个表项RC，所述SCPS-NP协议Header字段是指SCPS-NP协议的包头信 息，空间通信网络的发送端与接收端之间的中间节点路由表增加一个表项RC，SCPS-NP协 议Header字段的表项RC及路由表中的表项RC的初始值均为“false”，路由表中的表项RC 表示中间节点路由的变化情况，所述变化情况包括路由扩张、缩减及不变，当路由扩张、缩 减时，所述路由表中的表项RC的值转变为“true”，SCPS-NP协议Header字段的表项RC 表示所述路由表中的表项RC的变化情况，当所述路由表中的表项RC的值转变为“true”时， SCPS-NP协议Header字段的表项RC的值转变为“true”；SCPS-TP协议的Header字段增加 一个表项RCN，所述SCPS-TP协议Header字段是指SCPS-TP协议的包头信息，所述表项 RCN表示所述SCPS-NP协议Header字段的表项RC的值的变化情况，所述表项RCN的值默 认为“false”；当所述SCPS-NP协议Header字段的表项RC的值转变为“true”时，所述表 项RCN的值转变为“true”；具体步骤包括：

(1)检测路由变化，如果中间节点的路由发生变化，中间节点路由表中的表项RC的值 转变为“true”，进入步骤(2)；如果中间节点的路由不发生变化，中间节点路由表中的表 项RC的值不变；

(2)数据包到达步骤(1)所述中间节点时，发现所述路由表中的表项RC的值转变为“true”， SCPS-NP协议Header字段的表项RC的值转变为“true”，所述中间节点路由表中的表项RC 的值恢复为“false”，转发数据包至接收端；

(3)接收端接收到步骤(2)所述数据包，发现SCPS-NP协议Header字段的表项RC 的值转变为“true”，判定中间节点路由发生变化，接收端通过ACK包将路由变化信息反馈 给发送端，即：将SCPS-TP协议的Header字段的表项RCN设置为“true”，在接收端发送 ACK包时，加入Timestamps，开始计时，当发送端接收到ACK包的，计时结束，记录的时 间为Back-Time；所述Timestamps为SCPS-NP协议中现有的时间戳，加入Timestamps时开 始计时；

(4)发送端接收到ACK包时，监测到SCPS-TP协议的Header字段的表项RCN为“true”， 则判定路由发生变化，则进入步骤(5)；

(5)设定M＝2×Back-Time，则：

RTT_basic＝Min{M,RTT}；

其中，Min{M,RTT}是指M、RTT中的较小值；所述RTT是指某一时间段T内平均往 返时间；RTT_basic是指基准RTT；

当RTT_basic＝M时，则判定引起RTT变化的主要原因是路由变化，则窗口不变。

当RTT_basic＝RTT时，按照现有的Vegas机制进行处理。

RC即route-changed；

此处设计的优势在于，只根据RTT无法判断路由扩增还是路由缩减，引入Back-Time 就可以实现该判断，并且，Back-Time可以反应网络的当前最新状况，使得改进的Vegas机制 更能准确发挥功能。

根据本发明优选的，所述空间通信网络中，SCPS-NP协议Header字段还增加Hop Count 字段，预设Hop Count字段的初始值，所述Hop Count字段的初始值大于空间通信网络的发 送端与接收端之间的最大节点个数，一个节点是指一个卫星；所述Hop Count字段表示网络 中经过的跳数的个数，每经过一个节点，所述Hop Count字段的值减去1；具体步骤包括：

a、SCPS-TP协议启动后，发送端发送数据至接收端过程中，每经过一个节点，SCPS-NP 协议Header字段的Hop Count字段的值减去1；

b、接收端接收到步骤a最终获得的SCPS-NP协议Header字段的Hop Count字段的值， 并由ACK包将SCPS-NP协议Header字段的Hop Count字段的值反馈给发送端；

c、发送端接收步骤b ACK包反馈的SCPS-NP协议Header字段的Hop Count字段的值 A_i，与上一次接收到的SCPS-NP协议Header字段的Hop Count字段的值A_i-1进行比较， 如果A_i＝A_i-1，判定跳数不变；否则，更新RTT。

更新RTT为现有技术，通过现有的Vegas机制即可实现。

本发明的有益效果为：

1、本发明基于跨层思想，在传输层的下层即网络层SCPS-NP协议上增加标记位，对于 相关联的传输层和网络层来说，是可实现的；

2、本发明对SCPS-NP协议包头信息进行调整，不对其它进行修改，不需要增加额外的 通信开销，更加具有经济性；

3、本发明能够针对原有的SCPS-TP协议不能够准确判断跳数变化和路由重构带来的 RTT变化的弊端，通过改进，发送端能够判断RTT变化是因为拥塞，还是因为跳数变化或路 由重构引起，继而针对性的修改RTT_basic，进一步完善了SCPS-TP协议；

4、本发明不涉及地面控制中心参与，可以实现自动检测，自动工作，复杂度低，易于实 现。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间通信网络传输层协议算法，SCPS-NP协议 Header字段增加一个表项RC，所述SCPS-NP协议Header字段是指SCPS-NP协议的包头信 息，空间通信网络的发送端与接收端之间的中间节点路由表增加一个表项RC，SCPS-NP协 议Header字段的表项RC及路由表中的表项RC的初始值均为“false”，路由表中的表项RC 表示中间节点路由的变化情况，所述变化情况包括路由扩张、缩减及不变，当路由扩张、缩 减时，所述路由表中的表项RC的值转变为“true”，SCPS-NP协议Header字段的表项RC 表示所述路由表中的表项RC的变化情况，当所述路由表中的表项RC的值转变为“true”时， SCPS-NP协议Header字段的表项RC的值转变为“true”；SCPS-TP协议的Header字段增加 一个表项RCN，所述SCPS-TP协议Header字段是指SCPS-TP协议的包头信息，所述表项 RCN表示所述SCPS-NP协议Header字段的表项RC的值的变化情况，所述表项RCN的值默 认为“false”；当所述SCPS-NP协议Header字段的表项RC的值转变为“true”时，所述表 项RCN的值转变为“true”；具体步骤包括：

(1)检测路由变化，如果中间节点的路由发生变化，中间节点路由表中的表项RC的值 转变为“true”，进入步骤(2)；如果中间节点的路由不发生变化，中间节点路由表中的表 项RC的值不变；

(2)数据包到达步骤(1)所述中间节点时，发现所述路由表中的表项RC的值转变为“true”， SCPS-NP协议Header字段的表项RC的值转变为“true”，所述中间节点路由表中的表项RC 的值恢复为“false”，转发数据包至接收端；

(3)接收端接收到步骤(2)所述数据包，发现SCPS-NP协议Header字段的表项RC 的值转变为“true”，判定中间节点路由发生变化，接收端通过ACK包将路由变化信息反馈 给发送端，即：将SCPS-TP协议的Header字段的表项RCN设置为“true”，在接收端发送 ACK包时，加入Timestamps，开始计时，当发送端接收到ACK包的，计时结束，记录的时 间为Back-Time；所述Timestamps为SCPS-NP协议中现有的时间戳，加入Timestamps时开 始计时；

(4)发送端接收到ACK包时，监测到SCPS-TP协议的Header字段的表项RCN为“true”， 则判定路由发生变化，则进入步骤(5)；

(5)设定M＝2×Back-Time，则：

RTT_basic＝Min{M,RTT}；

其中，Min{M,RTT}是指M、RTT中的较小值；所述RTT是指某一时间段T内平均往 返时间；RTT_basic是指基准RTT；

当RTT_basic＝M时，则判定引起RTT变化的主要原因是路由变化，则窗口不变。

当RTT_basic＝RTT时，按照现有的Vegas机制进行处理。

RC即route-changed；

此处设计的优势在于，只根据RTT无法判断路由扩增还是路由缩减，引入Back-Time 就可以实现该判断，并且，Back-Time可以反应网络的当前最新状况，使得改进的Vegas机制 更能准确发挥功能。

实施例2

根据实施例1所述一种基于跨层思想的可适应时延突变的空间通信网络传输层协议算 法，所述空间通信网络中，SCPS-NP协议Header字段还增加Hop Count字段，预设Hop Count 字段的初始值，所述Hop Count字段的初始值大于空间通信网络的发送端与接收端之间的最 大节点个数，一个节点是指一个卫星；所述Hop Count字段表示网络中经过的跳数的个数， 每经过一个节点，所述Hop Count字段的值减去1；具体步骤包括：

a、SCPS-TP协议启动后，发送端发送数据至接收端过程中，每经过一个节点，SCPS-NP 协议Header字段的Hop Count字段的值减去1；

b、接收端接收到步骤a最终获得的SCPS-NP协议Header字段的Hop Count字段的值， 并由ACK包将SCPS-NP协议Header字段的Hop Count字段的值反馈给发送端；

c、发送端接收步骤b ACK包反馈的SCPS-NP协议Header字段的Hop Count字段的值 A_i，与上一次接收到的SCPS-NP协议Header字段的Hop Count字段的值A_i-1进行比较， 如果A_i＝A_i-1，判定跳数不变；否则，更新RTT。

更新RTT为现有技术，通过现有的Vegas机制即可实现。