CFDP协议中延迟NAK文件传输时间分析与仿真*

梁迎春

肇庆学院电子信息与机电工程学院，广东肇庆 526061

CFDP协议中延迟NAK文件传输时间分析与仿真*

梁迎春

肇庆学院电子信息与机电工程学院，广东肇庆 526061

未来的深空通信需要一个鲁棒的、有效与可靠的文件传输协议，在研究CCSDS提出的CFDP协议基础上，针对延迟NAK模式提出了一种新的分析方法。在保证吞吐量的前提下，对ARQ定时器优化设置，导出了平均文件传输时间的理论表达式。在单跳直连链路中，对不同条件下的平均文件传输时间进行了仿真与数值分析。仿真结果表明平均文件传输时间与PDU错误概率、PDU数目及单向传播时间等有密切关系。随机仿真与理论分析具有很好的一致性。

深空通信;CCSDS;CFDP;延迟NAK;平均文件传输时间

在深空探测任务中，文件传输协议肩负着传输指令信息和传输科学数据、工程数据和图像等数据的任务。因此，文件传输协议设计的可靠性与有效性是整个深空探测任务成功的重要保证。

由于深空通信具有巨大传播时延和链路衰减大、带宽不对称、链路断续等特点，传统的TCP/IP协议性能变得很差［1］。因此，空间数据咨询委员会(CCSDS，Consultative Committee for Space Data Systems)根据空间任务的信息传输要求，提出了CCSDS文件传输协议(CFDP，CCSDS File Delivery Proto-col)［2］。

CFDP是一个面向传输的应用层通信协议，同时又集成了OSI传输层功能。它包含两种协议操作:核心文件传输操作和扩展文件传输操作。CFDP的核心操作提供了在单跳直连链路中的点对点文件传输功能，其扩展操作是为了适应更复杂任务场景且发送端和接收端无直连链路情况下而设计的，它支持包含多条链路任意网络的多跳(Multi-hops)文件传输。本文在前者的基础上建模并做了仿真分析。在深空链路中，CFDP利用存储器发送和接收文件，适合从近地轨道到星际空间链路的不同信道，并可选择文件的传输质量，包括不可靠服务和基于重传机制的可靠服务［3］。

根据不同的任务需要和传输能力，CFDP提供了多种差错控制模式，包括无应答模式(Unacknowledged)和应答模式(Acknowledged)，其中应答模式又可根据NAK信号发送时间的不同分为4种模式:延迟 NAK(Deferred NAK)、立即 NAK(Immediate NAK)、提示NAK(Prompted NAK)和异步 NAK(A-synchronous NAK)［3］。其中，延迟 NAK 和立即 NAK是CFDP主要采用的两种模式。Ruhai Wang等对CFDP在地月通信链路中的不可靠服务做了详细的分析［4］。鉴于空间数据的重要性，Daniel C.Lee和Wonseok Baek对延迟NAK和立即NAK模式做了理论分析［5-6］，但是在场景设定与分析时，显得有些重叠，本文主要针对延迟NAK模式场景的不同设置，简化了理论分析过程，把N个PDU的首次传输过程与反馈重传阶段分开，重点分析重传阶段的过程。此外，焦健等对提示NAK和异步NAK模式分两个传输阶段建模并仿真分析［7-8］。

1 延迟NAK模式

在CFDP中，文件传输被称为一个“事务”，发送端为每一个文件传输操作分配了一个事务ID号。事务ID号与源ID和其他信息一起包含在每一个PDU的报头里。发送端通过发送元数据PDU来通知接收端文件传输的开始。发送端不必等待接收端的ACK应答才开始文件PDUs的传输，也就是说，在初始化“事务”时没有握手过程［9］。在延迟NAK模式中，接收端直到正确收到发送端的EOF PDU后才发出NAKs重传请求。在此过程中接收端统计直至EOF PDU成功接收时所有丢失的PDUs。在收到EOF PDU后，接收端发出ACK(EOF)并发出一个包含所有丢失PDUs的重传请求NAK(如果需要的话)。一旦收到一个NAK，发送端立即重传NAK所要求的PDUs。在接收端发出NAK后，立即启动一个定时器，当NAK定时器溢出时，接收端再次检查丢失PDUs的记录。如果仍有未收到的PDUs，接收端发出另一个NAK并再次启动一个定时器。这种过程一直持续到所有PDUs都被成功接收，包含全部的文件内容PDUs和元数据PDU。在收到所有的PDUs后，接收端发出一个FIN PDU，且发送端一旦收到FIN PDU就回复一个ACK(FIN)，并关闭事务。接收端在成功接收ACK(FIN)后也随之关闭事务［10］。

2 平均文件传输时间的数学分析

首先定义“文件传输时间”为从元数据PDU的第一比特开始直到当所有文件数据、元数据和EOF PDU被接收端成功接收的时刻。“EOF传输时间”定义为发送端发送最后一个文件数据PDU后的时刻与接收端接收到无错误的EOF PDU的最后一比特时刻间的时间间隔，“NAK重传时间”定义为从接收端发出第一个NAK的第一比特开始到所有重传的PDUs被成功接收到的时刻为止，如图1所示，其次定义N为携带文件数据的PDUs加上一个元数据PDU的总和。可见，整个文件的传输时间包含四部分:单向传播时间、N个文件PDU的传输时间、EOF传输时间和NAK重传时间。

为了分析方便，假设如下:第一，N个PDUs等长、具有相同的传输时间且发送失败概率相等;第二，所有的重传NAKs等长且具有相同的发送失败概率(虽然NAK的长度取决于所要求重传PDU的个数，但是这种差异很小且NAKs的长度很小，所以这种假设对性能影响很小);第三，在前向和反向链路中的PDU错误事件是统计独立的;第四，由于EOF，ACK(EOF)和NAK的长度相对于文件数据PDUs来说很小，所以忽略这些PDUs的传输时间。文中分析用到的记号规定见表1。

由于深空探测器具有功率有限及传输带宽极其严格的特点，为了保证链路最大吞吐率，应该尽量避免同一PDU不必要的复制重传。在此限定条件下，EOF定时器的最小设定值为2Tprop，NAK定时器的最小设定值为2Tprop+RTi，其中RTi表示第i次NAK重传请求PDU的发送时间。

图1 延迟NAK模式的平均文件传输时间

表1 符号定义

现在重点考虑重传阶段，定义随机变量Hi为第i个PDU直到接收端成功接收所需的重传次数。在这种假设条件下，Hi具有几何分布特性。再定义一个随机变量HM表示直至所有PDU成功被接收端接收所需的重传次数，易知，HM=max{H1，H2，H3，…，HN}。

考虑到NAK定时器的最小设定值为2Tprop+RTi，那么第一个重传阶段所需时间的期望值为:

所以，整个重传阶段所需时间的期望值为:

通过以上分析可以得出，一个事务的文件传输时间期望值可表示为:

3 性能仿真与结果分析

利用Matlab工具进行仿真分析，传输时间单位为天文单位 a.u.(astronomical unit，1a.u.=480s)。图2～图4仿真出平均文件传输时间随PDU错误概率、PDU数目、单向传播时间等不同条件下的变化情况。由图2可知，在单向传播时间及PDU数目确定的情况下，单个PDU传输时间越多，在相同PDU错误概率情况下所需的传输时间越多。由图3不难看出，在PDU错误概率及单向传播时间固定的条件下，平均文件传输时间随PDU数目的增加而不断增加，且单个PDU传输时间越多，在相同PDU数目的情况下所需的传输时间越多。由图4易知，在PDU错误概率及单个PDU传输时间固定的情况下，平均文件传输时间随单向传播时间及PDU数目的增加而不断增加。

图5为平均文件传输时间对PDU错误概率的Monte carlo仿真与数值分析曲线。可以看出，仿真曲线与数值分析曲线非常匹配。这里，PDU错误概率为0.01～0.5，单向传播时间为1a.u.，双向传输速率为20kbps，PDU数目为1000，且单个PDU传输时间为0.8s(PDU长度2KB，文件大小2MB)。

4 结论

图5 Monte carlo仿真与数值分析对比

本文对CFDP协议中的延迟NAK型可靠传输模式进行了数学建模分析。在充分考虑深空环境中功率及带宽受限并严格保证吞吐量有效的情况下，把N个PDUs的首次传输过程与反馈重传阶段分开，推算了延迟NAK型可靠传输模式的平均文件传输时间，优化了ARQ定时器的等待时间。该理论分析过程相对于文献［5］来说，脉络清晰，简单明了。下一步计划在重传阶段选择合适的重传策略来减少重传次数，从而缩短文件传输时间。结合链路层的具体情况如太阳闪烁、降雨衰减等因素对CFDP文件传输协议进行更深入地研究。

［1］Araniti G，Bisio I，De SanctisM.Interplanetary Networks:Architectural Analysis，Technical Challenges and Solutions Overview［C］.Proc of IEEE International Communications Conference 2010.

［2］CCSDS File Delivery Protocol(CFDP)—Recommendation for Space Data System Standards［S］.CCSDS 727.0-B-4，Blue Book，January 2007.

［3］CCSDS File Delivery Protocol(CFDP)—Part 1:Introduction and Overview，Informational Report［S］.CCSDS 720.1-G-3，Green Book，April 2007.

［4］Wang Ruhai，Bidhya L S，Wu Xuan，et al.Unreliable CCSDS File Delivery Protocol(CFDP)over Cislunar Communication Links［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，January 2010，46(1):147-169.

［5］Daniel C.Lee，Wonseok Baek.Expected File-Delivery Time of Deferred NAK ARQ in CCSDS File-Delivery Protocol［J］.IEEE Transactions on Communications，2004，52(8):1408-1416.

［6］Wonseok Baek，Daniel C.Lee.Analysis of CCSDS File Delivery Protocol:Immediate NAK Mode［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2005，41(2):503-524.

［7］焦健，张钦宇，李晖，等.CFDP协议触发NAK型文件传输时延的研究［J］.宇航学报，2009，30(1):260-265.(JIAO Jian，ZHANG Qin-yu，LI Hui.Expected File Delivery Time of Prompt NAK Mode in CCSDS File Delivery Protocol［J］.Journal of Astronautics，2009，30(1):260-265.)

［8］焦健，张钦宇，李晖，等.CFDP协议异步NAK型文件传输时延的研究［J］.系统仿真学报，2009，21(14):4409-4412.(JIAO Jian，ZHANG Qin-yu，LI Hui.Analysis of File Delivery Time in CFDP Asynchronous NAK Mode［J］.Journal of System Simulation，2009，21(14):4409-4412.)

［9］Wang Ruhai，Bidhya L S，Wu Xuan，et al.ExperimentalInvestigation ofCCSDS File Delivery Protocol(CFDP)over Cislunar Communication Links with Intermittent Connectivity［C］.ICC 2008:1910-1914.

［10］Li Hui，Luo Hao，Yu Faxin.Reliable Transmission of Consultative Committee for Space Data Systems File Delivery Protocol in Deep Space Communication［J］.Journal of Systems Engineering and Electronics，2010，21(3):349-354.

The Analysis and Simulation on File Delivery Time of Deferred NAK in CFDP Protocol

LIANG Yingchun
Faculty of Electronic Information＆ Mechanical Electrical Engineering，Zhaoqing University，Zhaoqing，Guangdong 526061，China

A robust，effective and reliable file delivery protocol is required in the future deep space communication．A new analysis method of deferredNAKmode is proposed，which is based on theCFDPprotocol provided byCCSDS．On the premise of ensuring the throughput，theARQtimer set is optimized and the theoretical expression for the expected file delivery time is deduced．In the single hop-direct link，the expected file delivery time with different situation is simulated and analyzed．The simulation results show that the expected file delivery time has close relationship withPDUerror probability，PDUnumber and single direction propagation time．The random simulation and theoretical analysis have better consistency．

Deep space communication;Consultative committee for space data systems;CCSDSfile delivery protocol;DeferredNAK;Expected file delivery time

TN915.4

A

1006-3242(2012)02-0080-04

*肇庆学院精品课程建设基金资助项目(200916)

2011-10-31

梁迎春(1975-)，女，广西玉林人，讲师，硕士，主要研究方向为现代通信及EDA技术。