[发明专利]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

说明书

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：

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。