[發明專利]基于中繼存儲-轉發的深空文件傳輸方法

有效

• 申請號: 201210184667.2
• 申請日: 2012-06-06
• 公開（公告）號: CN102694632A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發明（設計）人: 張欽宇;楊志華;焦健;李紅兵;顧術實
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: H04L1/16
• 分類號: H04L1/16;H04L1/18;H04L29/08
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所 44248
• 代理人: 胡吉科

技術領域

本發明涉及一種基于中繼存儲-轉發的深空文件傳輸方法。

背景技術

現有的深空通信文件傳輸協議根據重傳機制的不同，主要有兩類：

1)TCP/IP協議

在因特網(Internet)背景下，以帶寬無限大、低延遲、低誤碼率、連續通信等假設條件下建立的，TCP連接的建立需要發送雙方先通過握手協商，即正式開始文件數據傳輸至少需要進行一次往返傳播，TCP協議使用基于實時狀態計算的分級路由協議，自治系統進行尋址需要通過邊界網關協議(BGP)，而在系統內部則通過IS2IS(Intermediate?System?to?Intermediate?System)、OSPF(Open?ShortestPath?First)以及EIGRP(Enhanced?Interior?Gateway?Routing?Protocol)等路由協議尋址。特點是能無縫兼容地面因特網。

2)空間數據咨詢委員會的文件傳輸協議(CFD?P，CCSDS?File?DeliveryProtocol)

CFDP最初是在TCP/IP在空間網絡通信中使用效率較低的背景下產生的。相比于TCP/IP，CFDP克服了TCP/IP應用層協議FTP協議無法支持多連接傳輸、傳輸暫停和續傳、容忍錯序包的不足以及TCP/IP協議“握手機制”在空間通信中效率低的缺點，部分解決了空間通信端到端的文件可靠傳輸問題，被廣泛應用于月球、火星探測計劃等空間科學任務中。CCSDS為CFDP協議定義了四種模式：立即NAK?CFDP協議，異步NAK?CFDP協議，觸發NAK?CFDP協議和延時NAK?CFDP協議。CFDP協議的特點是采用ACK和NAK混合應答機制。在協議數據單元(PDU：Protocol?Data?Unit)傳輸發生錯誤時，接收端反饋否定確認應答信息(NAK)。而確認應答信息(ACK)只用于控制數據包在收發兩端的交互，一般在文件尾部和傳輸過程結束時出現。

深空通信與傳統地面通信有巨大的差別，它所特有的動態長延時、高誤碼率、間斷可用鏈路、不對稱信道等特點，使得TCP/IP協議直接應用到深空通信系統中會出現很多問題。首先，深空通信中傳播延時巨大，例如火星到地球的往返延遲根據星體的軌道位置不同通常在8.5到40分鐘之間，如果往返延遲大于通信持續時間，那么應用數據根本沒有傳輸的機會。其次，上行與下行鏈路的信息速率不對稱對TCP的吞吐量影響非常大。2015年預計可達到的地月通信上行速率為4kb/s，下行速率為10Mb/s，而火星通信上行速率為4kb/s，下行速率為4～6Mb/s。由于信道速率的不對稱會導致較大的線速率突發錯誤，加重下行緩存擁塞，吞吐量隨非對稱性成指數衰減。再次，TCP協議分辨擁塞和數據丟失的策略決定其吞吐量隨往返傳播時延及信息丟失概率的增加而迅速惡化。TCP協議通過ARQ機制保證按順序發送文件信息，任一丟失的數據包將引起該數據包之后的所有數據重新發送。深空信道的誤碼率(BER)通常比地面信道的誤碼率大，典型的深空通信誤碼率為10^-5，且由于星體軌道運行對探測器的遮擋，深空通信鏈路會產生周期性中斷。另外，TCP協議的差錯檢測和恢復策略不適合深空高誤碼率環境：首先，TCP協議通過重傳定時器計時溢出對數據包的丟失進行判斷；其次，TCP協議無法區分數據包丟失的原因是網絡擁塞還是信道誤碼，TCP協議主要通過降低報文發送速率以避免擁塞的策略來處理誤碼。此外，吞吐量會隨著確認應答信息(ACK，Acknowledgement?Character)的丟失進一步惡化。由于TCP協議是基于端到端重傳的協議，緩存只有在接收端向發送端確認正確接收所有信息后才會釋放用于重傳的通信資源；傳輸過程丟失的信息需要重傳，進一步延長資源占用緩存的時間，不適用于對于緩存空間和處理能力有限的深空探測器。而且TCP/IP的路由協議對于深空通信操作環境未來的可能路由缺乏預見性。另外，深空通信環境很難對時間間隔做出準確預測，因此對狀態信息更新時間間隔的預測準確性很敏感的分布式路由算法不適合。

綜上，現有的TCP/IP協議體系在深空通信的傳播時延長、誤碼率高、非對稱鏈路、鏈路兼容以及異構網絡等問題上面臨嚴峻的挑戰。在鏈路時延或者時延帶寬積較大的深空網絡，各種TCP改進協議相差不大且性能很差，不能滿足深空文件高效傳輸的任務要求。