一种适用于深空星际卫星网络的高效交互传输方法技术

本发明专利技术属于深空星际卫星网络传输技术领域，其特征在于：在连接建立阶段就开始发送信息数据；采用三级优先级分组数据等间隔交错发送的传输策略；采用初始发送Initialization?Sending策略；根据不同优先级分组数据的丢失情况，判断数据丢失原因，分析网络的拥塞程度，并采用相应的信息流量控制算法；采用主动周期选择的接收应答策略。在随机误码极高、突发误码严重、传播时延极长、信道带宽非常不对称的深空星际卫星网络中，此方法能够避免连接等待的时间消耗，迅速提升信息流量，有效区分链路误码和拥塞情况，并根据网络的拥塞程度采用相应的信息流量控制，极大地降低了反向链路的传输带宽要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于深空星际卫星网络传输

技术介绍
目前，在国际互联网上得到广泛应用的TCP协议提出于上世纪80年代，在几十年的发展演变过程中，先后出现了 TCP-Tahoe、TCP-Reno、TCP-NewReno以及TCP-SACK等协议版本，TCP-Reno的应用最普遍。这些不同版本的TCP协议都是针对误码率极低和传播延时非常小的有线网络设计的，即数据在传输过程中由于误码导致差错的可能非常小，以及等待数据接收应答的时间非常短。所以，一旦出现数据的丢失或损坏以及长时间的无应答， TCP协议就会认为网络出现了拥塞，并采取拥塞回避等流量控制算法。这些假设不仅简化了 TCP协议的处理流程，而且很好地利用了有线网络的传输特性，满足了地面互联网的发展需要。然而，这些基于高速和可靠的信道传输假设却在深空星际卫星网络环境中无法成立，因此也就对TCP协议的传输性能造成了非常不利的影响。深空星际卫星网络的特点主要包括如下几点1)极长的传播时延地面网络的数据传输往返时间(RTT，发送端从发送数据到收到应答所需的时间) 为几到几十个毫秒，典型的RTT为80毫秒。在深空星际卫星网络中的传播时延则比地面网络大得多，地球与月球之间的RTT在2. 6秒左右，是地面网络的30多倍；地球与火星之间距离更远、RTT更长，是地面网络的几千倍；地球与太阳系内其它行星之间的传播时延最长可达几小时。深空星际卫星网络中极长的传播时延对TCP协议造成了非常不利的影响，突出表现在如下两方面a)连接建立等待时间过长，超过了连接等待超时时间，使得TCP协议在数据传输之前就终止了连接；b)拥塞窗口增长速度非常缓慢，使得协议的慢启动阶段耗时过长，严重影响了星际网络的链路资源利用。2)极高的信道随机误码率深空星际卫星网络的电磁环境非常恶劣，不仅包括传播距离非常远造成的信号能量大量衰减，而且还包括空间环境中强烈的电磁干扰。这些都造成了星际卫星网络极高的链路随机误码，误码率可以高达ιοΛ深空星际卫星网络中极高的链路随机误码率严重影响了 TCP协议的传输性能，使得协议在不断重传丢失信息的同时，重复启动慢启动算法，严重限制了 TCP连接信息流量的高速传输，有时甚至导致信息的无法传输。3)严重的信道突发误码由于深空环境中的带电粒子冲击、运动天体传输链路的遮蔽以及行星大气层的剧烈变化，经常会有持续数分钟的突发误码情况发生。深空星际卫星网络中严重的信道突发误码，使得TCP协议的性能更加不稳定，有时甚至还会导致超时重传，使得TCP的性能达到最差。4)严重的信道带宽不对称由于受到卫星、飞船等等航天器的功率限制，深空星际网络的传输链路带宽呈现出非常严重的不对称现象，即从地球向深空的前向传输链路带宽比由深空返回的反向传输链路带宽大的多，往往相差百余倍，有时甚至高达上千倍。深空星际卫星网络中严重的链路带宽不对称，使得TCP协议在信息传输过程中， 往往会因为反向传输链路的信息拥塞造成前向链路吞吐量的急剧下降。5)周期性的链路中断由于受到地球、其它行星的自转和卫星运动轨道相互之间的影响，深空星际卫星网络中的信息传输链路呈现周期性中断的特点。在传输链路周期中断期间，TCP协议的信息传输显然无法实现。研究和分析表明，TCP协议中的连接建立、慢启动、拥塞控制、接收应答以及超时等待等算法和关键参数的设置是导致TCP协议在深空星际卫星网络中性能差的主要原因。为了改善TCP协议在误码率高、长传播延时等各种网络环境中的传输性能，目前已经提出了很多改进方案，可以归纳为如下几类。一、基本改进方案 这些方案提出较早，对TCP协议的改动也很小，有些已经成为TCP协议中的扩展选项。1)增大初始拥塞窗口值就是初始拥塞窗口 cwnd值IW从1个数据段按照以下公式增加:IW = min[4 · MSS，max(2 · MSS，4380bytes) ]，MSS 为最大 TCP 数据段长度。2)扩大最大TCP发送窗口 就是把发送窗口从16位比特扩展到30位比特，这样最大发送窗口值从64k字节扩展到了 IG字节。3)T/TCP 在收发两端的第一次连接之后，其后的TCP连接跳过连接建立的三次握手过程，直接进入到信息传输阶段。4)多TCP连接将一个TCP连接拆分成多个TCP连接，从收发两端的信息传输效果上看，无疑是增加了数倍的信息传输流量。5)明确拥塞指示通过在IP数据报头中设置网络拥塞指示信息位来告知发送端网络的信息传输状态。6) TCP头压缩压缩TCP头的信息量从而提高传输效率。这些基本改进方案虽然具有协议改动小、实施方便的优点，但对协议性能的改进非常有限。二、数据报优先级方案l)Fast Start协议为了解决连接开始阶段数据流量低的问题，在数据传输初始阶段采用最近一次TCP连接的发送窗口来控制数据流量。为了避免突发的数据流量造成网络拥塞，设置初始阶段的IP分组优先级为低优先级。2) TCP Peach 采用了 Sudden Mart 和 Rapid Recovery 等新的算法，其核心思想是发送大量低优先级的重复数据段，根据返回的应答情况探测网络中的可用带宽和控制信息流量。3) TCP PBS 沿用了 TCP-Peach协议低优先级数据段发送的思路，并改进了 SuddenStart 禾口 Rapid Recovery,提出了 Accelerative Start 禾口 Expeditious Recovery 两个新的算法。4)TP-Planet 对 TCP 协议改动非常大，包括INITIAL STATE”禾口 “STEDY STATE” 两个状态集，两个状态集又包含多个子状态。在两个状态集，协议均会发送大量低优先级的无效数据段来探测网络状态。5)TP-Mtellite 采用了超起始Super Mart算法以取代慢启动算法，增加了数据丢失判断算法，并采用了主动周期选择的应答算法。协议的突出特点就是间隔发送高低优先级数据段，根据不同优先级数据的接收情况判断网络状态，并采取相应的信息流量控制算法。三、可用带宽估计方案DTCP Westwood 通过不断监测接收到的应答数据段实现端到端的可用带宽估计，并当出现数据丢失时，利用可用带宽的估计计算拥塞窗口和慢启动门限等重要参数。2)TCP_STAR:除了通过监测应答数据段来估计可用带宽，还增加了发送查询数据段来判断数据接收情况。3)Faster Recovery 是对TCP flfestwood协议的改进，提出了一个基于带宽估计的数据丢失恢复机制。四、拥塞窗口指示方案此类方案的典型代表是XCP协议以及其改进协议P-XCP。XCP协议中，ECN不再仅仅采用单比特信息来表示网络拥塞与否，而是在TCP头部分增加拥塞字段，传输过程中路由器参与拥塞字段参数值的调整和修改，以此达到信息流量的精确控制和传输带宽的公平分配。五、信道不对称改进方案1) SACK 接收端通知发送端哪些数据段已经正确接收，发送端可以根据SACK信息判断出没有成功接收的数据段，并一次重传多个丢失的TCP数据段，减少重传等待时间，提高重传效率。^NACK 当接收端发现有数据丢失时，直接向发送端发送未正确接收的数据段的 fn息ο3) ACK拥塞控制为了减少瓶颈链路TCP应答数据段的数量，接收端动态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1. 一种适用于深空星际卫星网络的高效交互传输方法，其特征在于它是在源代码公开的Linux操作系统上实现，该方法包含以下步骤 步骤(1)，连接监听客户端进入“监听”状态，等待服务器连接； 步骤O)，建立连接步骤(2. 1)，从服务器端发送连接请求，并按照拥塞窗口最大值Cwndmax的1/6开始发送数据信息，设置数据信息IP包头中的两比特“pri”分别为2、1、0，即高、中、低优先级分组数cwnd据交错发送，每间隔一个时间τ就发送一个分组数据，其中八^，RTTmin为服务器与客户端的星际网络中两行星之间最短的传播时延；步骤(2.幻，从服务器来的连接请求，经过深空星际网络传输到达客户端； 步骤(2.幻，客户端收到连接请求后，判断是否建立连接步骤(2. 3. 1)若拒绝连接，则返回拒绝连接应答信息，丢弃之后接收到的分组数据，结束连接；步骤(2. 3. 2)若接受连接，则开始估计RTTi时间，返回连接应答信息，并接收到达的分组数据；步骤(2. 4)，客户端在接收了 Cwndmax/6的分组数据后，返回数据接收应答信息，应答信息采用M-NACK格式，计算出数据发送返回RTTi时间，并按照RTTi时间定时发送M-NACK应答信息；步骤(2.幻，服务器接收到连接应答信息后，返回应答确认信息，估计数据发送返回 RTTi时间，并转入到步骤(3)； 步骤(3)，数据的丢失判断步骤(3. 1)，服务器接收到M-NACK应答信...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘炯，谢小平，徐辉，底翔，马军骥，战文杰，陈麒，宋宇，罗凯，罗国栋，
申请(专利权)人：中国人民解放军西安通信学院，
类型：发明
国别省市：