一种基于SCPS‑TP的丢包定位及检测方法技术

本发明专利技术提出一种基于SCPS‑TP的丢包定位及检测方法，具体为：针对空间通信过程中链路时延长，链路丢包现象严重，丢失报文无法检测定位以及原有SCPS‑TP传输机制传输效率低等问题，创新性地提出了一种新的报文传输机制，并针对这一种新的传输机制对原有SCPS‑TP的报文压缩头结构做出了改进。该发明专利技术可以实现检测并定位由于链路丢包而丢失的报文并根据报文对应的丢包容忍度采取相应的重传策略，以达到在保证用户基本通信服务的前提下大幅地提升数据传输效率的目标，实现在链路环境相对恶劣的情况下大幅地缩减RTT，提高吞吐量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及CCSDS-SCPS系列空间通信协议规范，尤其涉及传输协议SCPS-TP。
技术介绍
随着卫星通信和地面互联网技术地不断发展，卫星间、卫星与地面间以及地面各系统间信息的交叉传输不断增多，这就要求有一套统一、兼容、高效的空间通信协议来保障。空间通信协议规范SCPS(Space Communication Protocol Standards)主要用于空间多颗卫星、空间实验室及地面射频终端等组成的空间互联网的星与星或星与地之间的通信。SCPS协议以TCP/IP协议为模型，包含网络协议、安全协议、传输协议及文件协议，尤其是传输协议SCPS-TP(SCPS Transport Protocol)最为重要。SCPS-TP是在TCP协议基础上，针对空间链路往返时延可变、带宽不对称、间歇性连接等特点，作的相应修改和扩展，从而为空间通信网络提供端到端的数据传输，以适应当前和未来的空间任务需求。然而，现有的SCPS-TP的传输机制依托于TCP协议，并没有考虑到在空间通信的过程中由于信道环境恶劣，加之链路时延长而导致的数据传输效率低下，往返时间长，吞吐量低等问题。同时设计者并未考虑到，在空间通信中报文丢失的主要原因不再是网络拥塞而是由于收发两端物理距离远且信道环境受气候条件影响不稳定而导致的链路丢包。因此，本专利技术针对上述的SCPS-TP存在的各种问题以及相关技术进行了调研。本专利技术把丢包容忍度作为每一个数据报文的标识，创新性的将“丢包容忍度”这一概念融入了现有SCPS-TP的压缩头的结构；并基于群组传输的思想，和对压缩头的改进，提出一种新的更加适用于空间通信的高效传输机制。本专利技术针对链路丢包的现象，通过对压缩头结构和传输机制的改进达到了丢失报文可定位，可检测的目的；并根据业务类型需求和丢包容忍度，采取不同的重传策略，以达到在保证用户基本通信服务的前提下大幅的提升数据传输效率的目标，实现在链路环境相对恶劣的情况下大幅地缩减RTT，提高吞吐量。
技术实现思路
专利技术目的：针对链路丢包的现象，通过对压缩头结构和传输方法的改进达到了丢失报文可定位，可检测的目的；并根据业务类型需求和丢包容忍度，采取不同的重传策略，以达到在保证用户基本通信服务的前提下大幅的提升数据传输效率的目标；实现在链路环境相对恶劣的情况下大幅的缩减RTT，提高吞吐量。本专利技术的技术方案：一、概念释义在前文中已经说明本专利技术采用了一些新的原创性的概念，为了方便之后的叙述，在此对于这类新的概念进行一些解释。1.报文群组本专利技术提出了一种新的传输机制，这种传输机制不同于经典的一个报文一个ACK的传输应答模式。传输层的报文不再以个为单位进行传输，而是采用将多个报文组成一个报文群组，接收方针对一个报文群组的接收情况回复一个ACK的传输机制。每个报文群组中可包含2～128个报文。一个报文群组由两种报文组成，分别是：群组目录(1个群组只有1个目录)，和群组数据报文(1～127个)。群组目录：发送方在准备发送数据时，根据待发送的群组数据报文，在对数据报进行“打包”处理(具体处理方式将在后文介绍)后，根据处理好的数据报文的数量，数据长度，丢包容忍度等信息，生成一个群组目录。群组目录的负载部分是一张由群组中各个群组数据报文压缩头中的Tag选项(关于“Tag选项”会在后文中介绍)排列而成的列表。群组数据报文：由于采用了群组传输的机制，为了方便接收方分割出每一个群组数据报文，本专利技术的群组数据报文在保留原有所需传输数据的同时在负载部分加入了填充码元，使得同一群组中每一个群组数据报的长度都是相等的，具体的填充方式将在后文中介绍。2.丢包容忍度本专利技术将丢包容容忍度与群组传输的机制相结合，在报文头中加入丢包容忍度这一参量，将丢包容忍度作为决定不同重传策略的一个重要参考指标，以此来提高数据传输的效率。对于一个报文群组而言，丢包容忍度描述的是一个群组能够容忍的最大丢包率，这将由传输业务的类型和用户的需求决定。对于群组数据报文而言，丢包容忍度描述了单个报文中数据的重要性，有的数据报文中包含的信息十分重要绝不允许发生丢包，如果这类报文丢失必须请求发送方重传；而有的数据报包含的信息与其余群组数据报文关联性很强，因此只要这一群组丢失的报文数量在群组的丢包容忍度内，这类报文是没有重传必要的；所以丢包容忍度将成为决定重传策略的重要参量。引入这一参量的主要原因是，个别业务类型的各个报文的数据内容关联性十分紧密且其数据内容并不十分重要，出现少量的丢包并不会影响用户基本通信服务，对于这样的数据报文是没有必要浪费太多的时间去反复重传的，于是将这一概念作为报文的标示，避免没有必要的重传，以此来提高数据传输的效率。3.Tag选项前文已经提到，本专利技术改进了SCPS-TP的报文压缩头格式，在其中加入了一个新的选项，即Tag选项。Tag选项是每一个群组数据报在这一群组中独一无二的标签，引入Tag选项的目的在于，使收方可以有效的定位检测传输过程中丢失的数据报，并只针对丢失的个别数据报向发送方请求重传，而重传策略则是由Tag选项中的丢包容忍度参量决定的，如此一来可以大大提高数据传输的效率。Tag选项格式如图1所示。Tag选项由四个字节32位构成，其中包括1位目录位，3位丢包容忍度标示，4位业务类型标示，8位的群组内部编号(其中有1位保留)，16位的群组外部编号。目录位标明了数据报文的属性，该位为1表示此报文为群组目录，该位为0表示此报文为群组数据报文。丢包容忍度在群组目录和群组数据报文中表示不同的含义，对于群组目录而言，丢包容忍度的不同编码对应着这一群组所能容忍的最大丢包率；对于群组数据报文而言，丢包容忍度表示这一数据报文中数据的重要程度，此时丢包容忍度只有两种状态，一种是表示该报文若丢失必须重传，另一种是若群组丢包率在容忍度内此包丢失无需请求重传。具体的丢包容忍度编码方式如图9所示。群组内部编码是群组数据报在这一群组中的ID，每个报文在群组中都有一个唯一的编号，这一编号由它们各自的序列号决定，从0开始按序列号大小，从小到大顺序编码。群组目录的群组内部编号为这一群组中所包含的群组数据报文的数目。例如：现有一个群组中包含有十个群组数据报文，则这十个数据报文按照序列号从0-9开始依次编号，而对应生成的目录的群组内部编号为10，表示了这一群组所含群组数据报文的数目。群组外本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术提出一种基于SCPS‑TP的丢包定位及检测方法，具体为：针对链路丢包的现象，通过对压缩头结构和传输机制的改进达到了丢失报文可定位，可检测的目的；并根据业务类型需求和丢包容忍度，采取不同的重传策略，以达到在保证用户基本通信服务的前提下大幅地提升数据传输效率的目标；实现在链路环境相对恶劣的情况下大幅地缩减RTT，提高吞吐量。

【技术特征摘要】
1.本发明提出一种基于SCPS-TP的丢包定位及检测方法，具体为：针对链路
丢包的现象，通过对压缩头结构和传输机制的改进达到了丢失报文可定位，可检
测的目的；并根据业务类型需求和丢包容忍度，采取不同的重传策略，以达到在
保证用户基本通信服务的前提下大幅地提升数据传输效率的目标；实现在链路环
境相对恶劣的情况下大幅地缩减RTT，提高吞吐量。
2.根据权利要求1所述的一种基于SCPS-TP的丢包定位及检测方法，其对于
SCPS-TP帧结构的改进的特征在于：
本发明改进了SCPS-TP的报文压缩头格式，在其中加入了一个新的选项，
即Tag选项；
Tag选项是每一个群组数据报在这一群组中独一无二的标签；引入Tag选项
的目的在于，使收方可以有效地定位检测传输过程中丢失的数据报，并只针对丢
失的个别数据报向发送方请求重传，而重传策略则是由Tag选项中的丢包容忍度
参量决定的，如此一来可以大大提高数据传输的效率；
Tag选项由四个字节32位构成，其中包括1位目录位，3位丢包容忍度标示，
4位业务类型标示，8位的群组内部编号(其中有1位保留)，16位的群组外部
编号；
目录位标明了数据报文的属性，该位为1表示此报文为群组目录，该位为0
表示此报文为群组数据报文；
丢包容忍度在群组目录和群组数据报文中表示不同的含义，对于群组目录而
言，丢包容忍度的不同编码对应着这一群组所能容忍的最大丢包率；对于群组数
据报文而言，丢包容忍度表示这一数据报文中数据的重要程度，此时丢包容忍度
只有两种状态，一种是表示该报文若丢失必须重传，另一种是若群组丢包率在容
忍度之内此包丢失无需请求重传；
群组内部编码是群组数据报在这一群组中的ID，每个报文在群组中都有一
个唯一的编号，这一编号由它们各自的序列号决定，从0开始按序列号大小，从
小到大顺序编码；群组目录的群组内部编号为这一群组中所包含的群组数据报文
的数目；
例如：现有一个群组中包含有十个群组数据报文，则这十个数据报文按照序
列号从0-9开始依次编号，而对应生成的目录的群组内部编号为10，表示了这一

\t群组所含群组数据报文的数目；
群组外部编号则是这一报文群组的ID；同一群组中的每个群组数据报文和
群组目录的外部编号都是相同的；由此可以区分不同群组的数据报文。
3.根据权利要求1所述的一种基于SCPS-TP的丢包定位及检测方法，其群组
构建的流程的特征在于：
群组构建流程，就是将各个分散的小的报文转换成为一个报文群组的过程；
3-1、群组构建的原则
SCPS-TP是SCPS的传输层协议，而在SCPS协议体系中处于网络层的是
SCPS-NP协议；在SCPS-NP中规定，每一个NP数据报的最大长度为8145Byte，
换言之一个报文群组的最大数据长度不能超过8145Byte；这也就成为了一个报
文群组构建在数据长度上的限制；
另一方面，由于数据报文以群组的方式传输，在收方接收到一个群组的数据
报文后，为了便于接收方识别提取出每一个报文，要求每一个群组数据报文的数
据长度都是相等的；这就涉及到需要将数据长度参差不齐的报文，通过填充码元
的方式将他们的数据报文长度统一成一个长度；
3-2、群组构建的流程
在一段时间后，当发送方的发送缓冲队列积累了一定的待发送数据报文后，
便开始报文群组的构建；
先将待发送数据报文按报文长度分组，长度为4K～8KByte以上的为一组，
长度在2K～4KByte的为一组，1K～2KByte为一组，500～1KByte为一组，
250～500Byte为一组，125～250Byte为一组，60～125Byte为一组，60Byte以下为
一组，总共8组；并将各组内的数据报文按数据长度排序；若报文长度大于
8KByte，则须先将其进行分割之后再传输，至于分割方式已超出本专利的范围，
在此不再叙述；
之后在每一个报文的末尾填充一个字节的结尾标记(此处将结尾标记设置为
“01010101”)，以便接收方接收到报文之后的识别处理；
本发明中码元填充的过程选择以字节为单位，码元“0”作为填充码元；
群组划分的过程首先是将长度相似的报文划分成组并按数据长度排序，之后
根据数据长度区间确定一个群组所含的报文数目(此处为方便叙述假设这一数目

\t为N)，然后按之前排好的顺序，顺序抓取N个报文，找到这N个报文中数据长
度最长的一个，将其余所有...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖勇，沈轩帆，贾正渝，曹继明，周昕，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85