面向深空通信的DTN网络跨层包大小的优化设计

王 洋，杨 宏，陈晓光，丁 凯

(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)

面向深空通信的DTN网络跨层包大小的优化设计

王 洋，杨 宏，陈晓光，丁 凯

(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)

基于延迟/中断容忍网络中束协议/利克里德传输协议(LTP)栈，提出一种用于深空通信的跨层包大小的优化方案。该方案可以根据信道误比特率、文件大小、信道传播时延和链路数据速率等条件得到最优的束大小、LTP块大小和LTP段大小，最小化深空通信中的文件传递时延。文中针对跨层包大小对文件传递时延的影响进行了分析，并且给出了跨层包大小的优化方案。同时，仿真并分析了信道误比特率、文件大小、信道传播时延和数据速率对最优的LTP段大小的影响以及跨层包大小优化方案所带来的性能增益。理论分析和仿真结果表明，在深空通信环境中，该优化方案可以根据特定的空间任务和环境特性优化跨层包大小，相比于未优化跨层包大小的方案，有效地提高了网络的吞吐量。

延迟/中断容忍网络；束协议/利克里德传输协议栈；深空通信；优化跨层包大小

0 引 言

延迟/中断容忍网络(Delay/Disruption tolerant network, DTN)[1]是为在“挑战性网络”中进行数据传输而设计的。挑战性网络即具有长时延、链路频繁中断和高误比特率的网络，比如行星际网络[2]和地面军用Ad hoc网络。DTN体系通过在原网络协议体系的底层协议上覆盖一个新的称之为束协议(Bundle protocol, BP)[3]的传输协议来实现消息的存储转发。束协议还有一个重要的特性是可以通过保管传输来支持点到点的重传，该保管传输功能是可选的，不是必要的。在DTN中，运行在束层下用来实现束交换的底层协议被叫做汇聚层协议，可以使用现有的地面因特网传输层协议，包括常见的TCP和UDP。利克里德传输协议(Licklider transmission protocol,LTP)[4-5]是专门为高延迟和断续链路而设计的，是目前用于深空通信的最合适的汇聚层协议。LTP作为汇聚层协议时，协议栈的结构就是BP/LTP/链路层/物理层，本文简记为BP/LTP协议栈。

随着火星探测以及更远距离的深空探测活动的开展，行星际网络成为深空通信的必然发展趋势，越来越多的学者关注DTN在空间通信尤其是深空通信时的应用研究[6]。文献[7]指出BP协议不解决具体网络环境中的问题，需要研究汇聚层协议来保证深空环境下端到端的可靠传输。文献[8]通过试验的手段研究了地火通信时束大小/LTP块大小和LTP段大小对于有效吞吐量的影响。文献[9]使用NS2软件仿真了地火场景中束大小/延迟容忍传输协议包大小对有效吞吐量的影响，并提出了启发式算法。文献[10-11]针对无线通信DTN场景中束大小和LTP段大小对有效吞吐量的性能进行了理论建模，并提出了寻找最大化有效吞吐量的最优包大小方案。

上述研究表明,DTN网络中各层包大小会对网络的有效吞吐量造成影响，但是这些研究多基于试验的手段，缺乏通用的分析模型，并且仅有的一些理论研究或是没有使用BP/LTP协议栈，或是建立的理论模型未针对于深空通信场景，不能被应用于采用BP/LTP协议栈的深空网络。同时，不同深空任务场景对于最优包大小的影响也没有涉及。因此，本文关注于DTN应用于深空通信时，跨层包大小的优化设计，以达到最小化文件传递时延，即最大化有效吞吐量的目的。通过分析跨层包大小对深空DTN文件传递时延理论模型的影响，对跨层包大小进行优化设计。同时，仿真并分析了信道误比特率(Bit error rate，BER)、文件大小、信道传播时延和数据速率等因素对最优LTP段大小的影响。最后，将该方案与未优化跨层包大小的方案进行性能对比，该方案可以有效地缩短文件传递时延，提高有效吞吐量，在较高误比特率下尤为明显。

1 深空DTN场景描述

考虑从火星到地球的通信场景，该场景包括地面站、火星中继卫星、火星着陆器等系统，如图1所示。为了给火星着陆器提供更长的通信时间，场景中的火星中继使用了文献[12]中提供的中继星座方案。利用卫星仿真工具箱(Satellite tool kit, STK)对上述场景中通信链路可见性以及链路时延进行了仿真。从上述火星探测场景通信链路仿真可以得出，火星通信网络中任意两个网络节点之间并不一定时刻存在端到端路径，且地面站与火星中继之间的路径传播时延较长，通常为10 min量级，是一个典型的空间DTN网络。

在地面站、火星中继卫星、火星着陆器等节点上使用DTN协议栈，使用LTP协议作为地火骨干网络的汇聚层协议，如图2所示。火星中继卫星到地面站的单向传播时延设为10min，返向链路数据速率为1Mbps，前向链路数据速率为5Kbps，前返向链路非对称比为1/200，文件大小为2MBytes，BER为10-5(若无特殊说明，本文后续仿真默认采用该组参数)。场景中使用的其他参数如下：束头大小为40 Bytes，LTP段头部大小为10 Bytes，数据链路层帧头部大小为42 Bytes。

2 BP/LTP协议栈文件传递时延的建模分析

2.1 深空DTN中基于LTP的数据传输过程

DTN网络中基于LTP的数据传输的一般过程是[13]：首先，在发送端，源文件被分割为多个束，考虑到LTP的汇聚作用，Nbundle个束被汇聚成一个LTP块，然后按照每个LTP段的大小，每个LTP块分割为Nseg个LTP段，再加上数据链路层帧头，组装成数据链路层帧传给物理层进行传输。接收端的接收过程与此相反，就不再叙述。其中,Nbundle为每个LTP块中汇聚的束的个数，Nseg为每个LTP块中包含的LTP段的个数。

LTP汇聚层协议可以是可靠的，此时所有的LTP段都被标记为红色[5]，最后一个LTP段被标记为校验点(Check point, CP)，每个CP都设置计时器，若CP的计时器超时，则发送端重发该CP。若接收端接收到该CP，则会回复一个LTP报告段(Report segment, RS)来告知发送端LTP段的接收情况，发送端收到RS后重传丢失的LTP段。

2.2 深空DTN中基于LTP的文件传递时延分析

深空DTN中基于LTP的文件传递时延的期望值由下式给出[14]：

Tfile=Ttrans+Tprop

(1)

式中：Tfile表示文件传递时延的期望值，它由两部分组成，第一部分Ttrans是具有最大重传回合数的LTP块的发送时间，表示为：

(2)

式中：Nblock为文件产生的LTP块的个数，Nseg为每个LTP块中包含的LTP段的个数，Tseg为每个LTP段的发送时间，pseg为每个LTP段的错误概率。

(3)

式中：Lfile、Lblock、Lbundle和Lbundle_header分别为文件大小、LTP块的大小、束的大小(不包括束头部)以及束头部大小。Lblock由式(4)给出：

Lblock=Nbundle×(Lbundle+Lbundle_header)

(4)

式中：Nbundle为每个LTP块中汇聚的束的个数。

pseg=1-(1-pe)8×(Lltp_seg+Ldatalink_header)

(5)

式中：pe为信道误比特率，Lltp_seg、Ldatalink_header分别为LTP段的长度和数据链路层帧头长度。

(6)

式中：Lltp_header为LTP段中LTP头部长度。

(7)

式中：Rdata为返向链路数据速率。

第二部分Tprop为传输具有最大重传回合数的LTP块所用的往返传输时延，有

Tprop=(E(Gfile)-0.5)2Tp

(8)

式中：Tp为信道传播时延，Gfile为随机变量，表示文件传递所经历的传输回合数，有

E(Gfile)=1+

(9)

式中：pCP为CP的错误概率。

本文将Ttrans记为文件的发送时间，将Tprop记为文件的往返传播时延。

3 跨层包大小对文件传递时延的影响分析及优化设计

深空通信网络中，通常以有效吞吐量来衡量网络的效率，希望有效吞吐量越高越好，即文件传递时延越小越好。因此，由式(1)～(9)可知，在给定文件大小(Lfile)、信道传播时延(Tp)、链路数据速率(Rdata)、误比特率(pe)的条件下，可以对束大小(Lbundle)，LTP块大小(Lblock)和LTP段大小(Lltp_seg)进行优化以获得最小的文件传递时延，最大化有效吞吐量性能。同时，在不同的深空任务场景下，最优的Lbundle、Lblock和Lltp_seg很可能不同，有必要对该影响进行量化分析。

由于公式的复杂性，束大小、LTP段大小和LTP块大小对文件传递时延的影响不能用求偏导数的方法获得，可以对式(1)进行MATLAB数值仿真，来分析束大小、LTP段大小和LTP块大小的影响。图3～5分别给出了束大小、LTP段大小和LTP块大小对于文件传递时延的影响。

首先，分析束大小对文件传递时延的影响。图3给出了在不同的LTP块大小(16KBytes、40KBytes、80KBytes、125KBytes)和LTP段大小(1400Bytes、1000Bytes、500Bytes和50Bytes)下，改变束大小对于文件传递时延的影响。其中，每个子图中LTP块大小各异。从图3(a)～(d)可以看出，横坐标束小于1KBytes时，每幅图中的四条曲线均稍稍抬高(即文件传递时延有些许增大)，当LTP段大小为1400Bytes时(对应于每幅图中实线)，该现象稍微明显些。当束大小大于4KBytes时，文件传递时延不随束大小的变化而变化，束大小的最优值可以选取为大于4KBytes的任意数值，表示为：

Lbundle_optimal≥4 KBytes

(10)

接着，分析LTP块大小对文件传递时延的影响。为了避免前向链路上RS的延迟，必须保证前向链路RS的速率小于前向链路的最大数据速率[15]，可以表示为：

(11)

式中：LRS为RS长度，Rack为前向链路数据速率。结合式(4)，Lblock必须满足以下的约束条件：

(12)

LTP块越大，说明任意一个给定的服务数据单元生成该块所需要的等待时延越大，则降低了协议的响应度[16]。因此，建议LTP块大小不能大于每秒钟传输的数据量，即Lblock≤Rdata。

图4给出了在不同的束大小(4KBytes、10KBytes、40KBytes、60KBytes)和LTP段大小(1400Bytes、1000Bytes、500Bytes和50Bytes)下，改变LTP块大小对于文件传递时延的影响。其中，每个子图中束大小各异。从图4可以看出，不论束大小和LTP段大小如何取值，随着LTP块大小的增大，文件传递时延均减小，而当LTP块大小取最接近Rdata的数值时，每条曲线中文件传递时延均达到最小，此时LTP块大小即为最优LTP块大小，表示为

(Lbundle+Lbundle_header)

(13)

最后分析LTP段大小对文件传递时延的影响。LTP段大小至少应大于LTP段的头部长度，而最大值为数据链路层最大传送单元(Maximum transfer unit, MTU)的长度减去数据链路层帧头长度，即

Lltp_header

(14)

式中：Ldatalink_mtu为MTU长度。图5给出了在不同的束大小(4KBytes、10KBytes、40KBytes、60KBytes)和LTP块大小下，改变LTP段大小(从Lltp_header+1到Ldatalink_mtu-Ldatalink_header)对于文件传递时延的影响。其中，每个子图中束大小各异。仿真结果表明，图5中每条曲线都是一个以LTP段大小为自变量的凸函数，存在一个LTP段大小的最优值，使得文件传递时延最小。例如图5(a)中，当LTP块大小为约20KBytes、40KBytes、80KBytes和120KBytes时，最小的文件传递时延分别为3104.3s、3078.8s、3057.6s和3047.9s，对应的LTP段大小的最优值分别为41、45、48和50。从图5可以看出，当束大小相同，而LTP块大小不同时，对应的LTP段大小的最优值也不同。但是当LTP块大小取值(如120KBytes)最接近于Rdata时，在最优的LTP段大小(50Bytes)下，得到的文件传递时延最小(3047.9s)，这也验证了上面得到的LTP块大小对文件传递时延的影响。不同子图之间进行比较可以发现，当束大小不同(4KBytes、10KBytes、40KBytes、60KBytes)，LTP块大小大致相同时(均约为120KBytes)，4条曲线中LTP段大小的最优值相同，均为50Bytes，且对应的文件传递时延均为3046s，由此也验证了前面得出的束大小大于4KBytes时对于文件传递时延没有影响的结论。

因此，可以根据式(10)和式(13)确定出束大小最优值和LTP 块大小最优值，然后代入式(1)，构成一个只有一个优化变量(即LTP段大小)的目标函数，见式(15)。通过求解该目标函数的最小值，得到LTP段大小最优值和文件传递时延的最小值。可以使用任何全局最优化算法求解该目标函数，例如遗传算法，粒子群算法，差分进化算法，模拟退火等，此处不予展开讨论。

minTfile

s.t.Lltp_header

(15)

在特定深空任务中，待传文件大小以及链路的数据速率、信道传播时延、信道的误比特率等条件均不相同，从式(10)、(13)、(15)可以看出，LTP段大小最优值将会受这些参数的影响而变化，而束大小的最优值不受这些参数的影响，LTP块大小的最优值仅受链路的数据速率影响。

4 仿真结果与数值分析4.1 不同任务场景对LTP段大小最优值的影响分析

由第3节可知，LTP段大小最优值需要使用优化算法获得，在不同的任务场景下，LTP段大小的最优值不同。因此，本节将针对不同的误比特率、文件大小、链路数据速率以及信道传播时延对LTP段大小的最优值产生的影响进行分析。仿真中选择束大小最优值为60KBytes，LTP块大小最优值为120 KBytes。

4.1.1 信道误比特率对LTP段大小最优值的影响分析

图6给出了在不同文件大小时，改变BER大小对于LTP段大小最优值的影响。从图6可以看出，当文件大于70MBytes且BER大于5×10-6时，增大BER会导致LTP段大小最优值的增大；除此之外，LTP段大小最优值均随着BER的增大而减小。这可以根据式(1)～(9)定性地分析：文件传递时延是由文件的发送时间Ttrans和文件的往返传播时延Tprop构成的。文件的发送时间Ttrans随LTP段大小的减小而增大，文件的往返传播时延Tprop随LTP段大小的减小而减小(当LTP段大小大于等于最优LTP段大小时)。当文件较小时，文件的发送时间Ttrans较小，远小于信道的传播时延600s，因此文件的往返传播时延起主导作用，此时若增大BER，则需要减小LTP段大小来降低文件的往返传播时延，以最大化有效吞吐量。但是当文件较大(图6中为大于70MBytes)，BER较高(如5×10-6)时，此时最优的LTP段大小约在50～100Byts之间，可以计算出文件的发送时间Ttrans较大，约为430s。此时若减小LTP段大小，则会造成文件平均发送时间的增加远远大于由于LTP段大小减小所带来的文件的往返传播时延的减小，因此BER增大时，LTP段大小的最优值会增大。

4.1.2 文件大小对LTP段大小最优值的影响分析

文中假定在2Tp时间内，所有的文件数据都被发送出去，并且已经在信道中，因此文件大小小于等于2Tp×Rdata=150MBytes。选取文件大小从10MBytes到150MBytes，步长为10MBytes。图7给出了在各个BER条件下，文件大小对于LTP段大小最优值的影响。由仿真结果可知，在各个BER条件下，随着文件大小的增大，LTP段大小最优值均增大。这是因为文件发送时间Ttrans随着文件大小的增大线性增长，而文件的往返传播时延Tprop随着文件大小的增大近似于对数增长[14]。文件大小增大，会导致文件发送时间Ttrans的增大程度大于文件的往返传播时延Tprop的增大程度，因此文件发送时间Ttrans占整个文件传递时延的比例相比于以前得到提升，LTP段大小的最优值会增大。

4.1.3 链路数据速率对LTP段大小最优值的影响分析

图8给出了改变链路数据速率对于LTP段大小最优值的影响，其中文件大小为10MBytes，链路数据速率从125KBytes/s增加到1250KBytes/s，步长为125KBytes/s(此时LTP块大小的最优值也随之变化)。从图8可以看出，在BER为10-7时，随着数据速率的增大，LTP段大小最优值明显减小，但是在其他BER条件下，LTP段大小最优值的变化并不明显。

4.1.4 信道传播时延对LTP段大小最优值的影响分析

图9给出了改变信道传播时延对最优LTP段大小的影响，其中文件大小为10MBytes，信道传播时延从10 min增加到18 min，步长为1 min。从仿真结果可以看出，信道传播时延对LTP段大小最优值的影响与第4.1.3节类似。

4.2 跨层包大小优化方案性能对比

表1 方案序号及描述Table 1 Description of schemes

5 结 论

DTN支持具有断续连接、大时延、高误比特率等特征的挑战性网络的互联互通，为我国未来深空探测网络发展面临的难题提出了有效的解决途径。本文基于深空DTN中BP/LTP文件传递时延模型，分析了跨层包大小对于模型的影响，提出了优化跨层包大小的方案。同时，仿真并分析了任务和环境因素对跨层包大小最优值的影响以及跨层包大小优化方案带来的性能增益。仿真结果表明，本文提出的跨层包大小优化方案，在地火场景误比特率分别为10-6、5×10-6和10-5时，相比于未优化包大小的方案，可分别缩短7.8%、39.8%和47.6%的文件传递时延，大大提高了有效吞吐量。

[1] Fall K. A delay-tolerant network architecture for challenged internets[A]. Proceedings of SIGCOMM′03, Karlsruhe, Germany, August 25-29,2003.

[2] Jackson J. The interplanetary internet[J]. IEEE Spectrum, 2005, 42(8): 31-35.

[3] Scott K, Burleigh S. Bundle protocol specification[S]. IETF RFC5050, November, 2007.

[4] Burleigh S, Ramadas M, Farrell S. Licklider transmission protocol-motivation[S].IETF RFC5325, September, 2008.

[5] Ramadas M, Burleigh S, Farrell S. Licklider transmission protocol-specification[S]. IETF RFC5326, October, 2007.

[6] 燕洪成，张庆君，孙勇，等．延迟/中断容忍网络技术及其在行星际因特网中的应用[J]．航天器工程，2014，23(2): 114-123. [Yan Hong-cheng, Zhang Qing-jun, Sun Yong, et al. Delay/disruption tolerant network and its application to interplanetary internet[J]. Spacecraft Engineering, 2014, 23(2): 114-123.]

[7] 叶建设，宋世杰，沈荣骏．深空通信DTN应用研究[J]．宇航学报，2010，31(4):941-949. [Ye Jian-she, Song Shi-jie, Shen Rong-jun. Research on DTN for deep space communications[J]. Journal of Astronautics, 2010, 31(4):941-949.]

[8] Bezirgiannidis N, Tsaoussidis V. Packet size and DTN transport service: evaluation on a DTN testbed[C]. In 2010 International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops, Moscow, Russia, October 3-5,2010.

[9] Samaras C,Tsaoussidis V. Adjusting transport segmentation policy of DTN bundle protocol under synergy with lower layers[J]. Journal of Systems and Software, 2011, 84(2): 226-237.

[10] Jiang F K, Lu H C. Packet size optimization in delay tolerant networks[C]. The 11th Annual IEEE Consumer Communications and Networking Conference, Las Vegas, Nevada,USA,January 10-13, 2014.

[11] Lu H C, Jiang F K, Wu J, et al. Performance improvement in DTNs by packet size optimization[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2015, 51(4): 2987-2999.

[12] 唐力群，杨明川，肖靖，等．面向火星探测的中继通信星座设计[J]．国际太空，2014(8):25-28. [Tang Li-qun, Yang Ming-chuan, Xiao Jing, et al. Design of relay communication constellation for Mars exploration[J]. Space International, 2014(8):25-28.]

[13] Burleigh S. Delay-tolerant networking LTP convergence layer (LTPCL) adapter[S]. IETF Internet Draft, April, 2013.

[14] 王洋，杨宏，陈晓光，等．深空通信LTP传递时延的理论建模及试验验证[J]．系统仿真学报，2017，29(3). [Wang Yang, Yang Hong, Chen Xiao-guang, et al. Theoretical model and validation of delivery time of LTP in deep space communication[J]. Journal of System Simulation, 2017, 29(3).]

[15] Hu J L, Wang R H, Zhang Q Y, et al. Aggregation of DTN bundles for space Internetworking system[J]. IEEE Systems Journal, 2013, 7(4): 658-668.

[16] Burleigh S. A guide to configuring LTP for ION v.3[EB/OL].2011[2016].http://sourceforge.net/projects/ion-dtn/files/ion-3.3.1.tar.gz/download.

王 洋 (1984- )，女，博士生，主要从事航天器通信与测控，深空通信网络设计方面的研究。

通信地址：北京市5142信箱343分箱(100094)

电话: (010)68747242

E-mail: happyangw@163.com

(编辑：牛苗苗)

Optimization Design of Cross-Layer Packet Sizes in Deep Space Delay/Disruption Tolerant Network

WANG Yang, YANG Hong,CHEN Xiao-guang,DING Kai

(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

In view of Bundle Protocol/Licklider Transmission Protocol(BP/LTP) stack in delay/disruption tolerant network (DTN), a cross-layer packet-size optimization scheme is proposed in deep space communications. The optimal bundle size, LTP block size and LTP segment size are obtained to minimize the file delivery time in deep space communications, based on the channel bit error rate (BER), the file size, the channel propogation delay, and the link data rate. The effect of the cross-layer packet sizes on the file delivery time is analyzed, and the cross-layer packet-size optimization scheme is presented. Meanwhile, the impact of the channel BER, the file size, the channel propogation delay, and the link data rate on the optimal LTP segment size is simulated and analyzed, as well as the performance gains of the cross-layer packet-size optimization scheme. The theoretical analysis and simulation results indicate that the proposed scheme can optimize the cross-layer packet sizes under certain space missions and circumstances, which effectively improves the throughputs over the scheme with the common packet sizes.

Delay/disruption tolerant network; BP/LTP protocol stack;Deep space communications;Cross-layer packet-size optimization

2016-09-19;

2017-02-27

载人航天领域预先研究项目(020401)

TP393

A

1000-1328(2017)05-0533-09

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.05.012