空间通信自适应文件传输协议设计

王洋，杨宏，陈晓光，陈淞

中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094



空间通信自适应文件传输协议设计

王洋，杨宏*，陈晓光，陈淞

中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094

现有的基于调整重传次数来降低文件传递时延的算法，或固定地重传丢失的协议数据单元(包)两次，或仅根据丢包率来调节重传次数，没有考虑到包个数、丢包率、链路单向传播时延与单个包发送时延之比等影响因素。文章基于延迟型否定应答文件传输协议，提出了一种用于空间通信的自适应调节重传次数的文件传输协议。对该协议的文件传递时延和额外传输开销性能进行了理论建模，分析了重传阶段包重传次数对重传回合数和重传包总个数两方面的影响，提出了自适应调节模块的设计方案。理论分析和仿真结果表明，在地火通信、文件包个数为1 k、丢包率为0.79条件下，相比于双重传文件传输协议和延迟型否定应答文件传输协议，分别缩短了55.69%和74.28%的文件传递时延；在地月通信、文件包个数为100 k、丢包率为0.79条件下，相比于仅根据误码率调节重传次数的重复发送文件传输协议，缩短了28.05%的文件传递时延。

文件传输协议；自适应；空间通信；文件传递时延；额外传输开销；理论建模

在空间任务场景中，需要类似于地面互联网的服务支持。但是，空间通信网络与地面互联网相比，具有明显的区别：长传播时延、断续的链路连接、非对称的带宽、极高的链路误码率等，这都使得在地面上运行良好的TCP/IP协议族不能应用于空间通信网络[1]。因此，为满足空间任务的通信需求，空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)制定了一系列协议和标准[2-3]，其中，CCSDS文件传输协议(CCSDS File Delivery Protocol，CFDP)被用来支持空间任务中航天器的文件传输操作。CFDP是一个应用层协议，同时也具有传输层的功能。它包含两种协议操作[4-5]：核心的文件传输和扩展的文件传输。根据空间任务需求和传输能力，CFDP提供可选的服务质量，包括可靠的和不可靠的。可靠的CFDP又可以根据使用的否定应答(Negative Acknowledges，NAK)的模式分为四种类型：延迟型NAK，立即型NAK，提示型NAK和异步型NAK。

目前针对CFDP用于空间通信的性能评估与改进验证，已有大量的研究工作[6-15]。文献[6-7]分别对延迟型NAK和立即型NAK的文件传递时延的期望值进行了推导。文献[8]使用测试平台对核心CFDP在地月通信链路下的性能进行了试验评估。文献[9]对4种模式NAK CFDP分别进行分析与比较，并指出延迟NAK模式更适用于空间通信误码率高且前向链路速率低的场景。上述文献[6-9]均是针对核心CFDP的文件传输性能的建模与评估，同时，文献[10]研究扩展CFDP的存储-转发机制，设计了3种中继“存储-转发”策略，文献[11]提出了一种基于CFDP的适用于Ka频段空间链路的两跳中继文件传输协议。在对核心CFDP的改进方面，目前有优化CFDP协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)大小、改变重传PDU的次数和基于纠删编码等方法。文献[12]通过优化CFDP PDU的大小，可以使CFDP达到更高的传输效率。文献[13]将喷泉编码技术引入CFDP，减少了文件传递时延，但也增加了发送端和接收端的编译码开销及设备复杂度。文献[14]提出了双重传延迟型NAK，仅对丢失PDU重传两次，可以有效地减小文件传递时延。在此基础上，文献[15]提出了一种基于链路误码率来调节丢失包次数的自适应CFDP协议(Repeated Sending File Delivery Protocol，RSFDP)，可在长链路传播时延和高误码率环境下减小重传次数。但是，已有的基于调整重传PDU的次数来降低文件传递时延的算法，或是固定地重传丢失PDU两次，或是仅根据误码率来调节重传次数，没有考虑到文件PDU个数、丢包率、链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比等影响，在不同的空间任务和环境条件下，显然不可能是最适合的。因此，本文基于延迟型NAK CFDP，综合考虑各种因素，例如文件PDU个数、丢包率、链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比，提出一种自适应调节重传次数文件传输协议(Adjusting the Retransmitted times File Delivery Protocol，AR-FDP)，同时还考虑了额外的重传开销的影响，也适用于空间任务能量资源受限的场景。

1 AR-FDP传输模型

1.1 基本原理

AR-FDP基于CFDP延迟型NAK模式，依赖于NAK中丢失的PDU的个数来估计丢包率。在重传阶段，发送端本地的自适应调节模块计算出需要重传的PDU的次数Nr，然后重复重传PDUNr次。Nr越大，成功传输该文件需要的重传回合数就越小，则这些重传回合所经历的传播时延也就越小；但是Nr的增大也增加了发送端重传这些PDU的发送时延。所以，单纯地采用Nr=1的延迟型NAK CFDP或者Nr=2的双重传CFDP，或简单地根据误码率来调整Nr都不能达到较好的实际效果，需要根据空间任务的实际情况和环境特性获取最优的重传PDU的次数，使得文件传递时延最短。

1.2 传输过程描述

AR-FDP的具体传输过程参见图1，描述如下：

1)首先，文件在传输前被分割为多个普通的PDU。在第一个传输回合中，发送端先向接收端发送该文件的所有PDU，包括一个元数据PDU(Metadata PDU，简称MPDU，包含源和目的标识符的信息，文件名称和文件大小等)，

普通的PDU和一个文件结束(End of file，EOF)PDU。

2)接收端一旦接收到EOF PDU，则向发送端发送肯定应答(Acknowledgement，ACK)。同时，使用MPDU中的相关信息来检验文件的完整性与正确性，发送NAK给发送端，NAK中包含了需要重传的PDU序号。接收端发送NAK的同时启动NAK定时器，如果在定时器超时之前还没有收到发送端重传的数据，则再次重传NAK。

3)发送端应用层实现了一个链路丢包率的估计器，本文设计为根据NAK中丢失的PDU的个数来估计丢包率。因此，发送端收到该NAK后，首先估计丢包率，然后将丢包率的估计值提供给自适应调节模块。自适应调节模块可以根据文件PDU个数、丢包率、链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比等参数计算出需要重传的PDU的次数Nr，同时还可以计算出此时的额外传输开销。AR-FDP根据自适应调节模块的结果在重传阶段重传丢失的PDUNr次。

4)接收端接收到发送端重传的PDU，重复步骤2)、步骤3)，直到该文件被正确接收。

5)接收端向发送端发送结束(Finished，FIN)PDU并启动FIN定期器。如果在计时器超时前没收到发送端的确认信号则再次发送FIN。

6)发送端接收到FIN,则向接收端返回确定信号ACK(FIN)，结束文件传输。

2 AR-FDP文件传递时延与额外 传输开销的分析

2.1 重传Nr次文件传递时延的期望值

首先，将整个文件传递过程分为两个阶段，第一个阶段是文件的初始传输过程，第二个阶段为文件的重传过程，如图1所示。

考虑文件的初始传输过程：假设文件大小为Lfile，PDU大小Lpdu，头部大小为Lheader，则PDU的个数记为Npdu，其中Npdu=Lfile/(Lpdu-Lheader)。假设链路单向传播时延为Tprop，返向链路的数据速率为Rdata，则每个PDU的发送时间为Tpdu=Lpdu/Rdata。因此，文件的初始传输过程所经历的时间为最初的Npdu个PDU的发送时间与链路单向传播时延之和，即Npdu×Tpdu+Tprop。

考虑文件的重传过程：定义Gfile为一个随机变量，表示文件成功传递时所经历的重传回合数。同时定义随机变量Gpdu_i是该文件产生的第i个PDU所经历的重传回合数。因为每个PDU的传输过程独立于其他的PDU，所以可以认为一个文件传递所经历的重传回合数，是由该文件中所有PDU所经历的重传回合数的最大值所决定的，即Gfile=Gpdu_max，其中Gpdu_max=max(Gpdu_1，Gpdu_2，…，Gpdu_Npdu)。

为了避免不必要的重传，最小化文件传递时延，设置NAK计时器的超时时间为2Tprop+Ti，其中Ti为第i个重传回合中重传的PDU的发送时间，不同的重传回合具有不同的Ti。

假设链路误码率为pe，链路上各个比特之间的传输是相互独立的，则每个PDU的丢包率ppdu可以表示为：

(1)

NAK较小，其丢包率可以忽略。第一个重传阶段(即从第一个NAK的发送到接收端接收到该重传过程的最后一个PDU为止)所经历的时间的期望值为2Tprop+T1。

同理，整个文件的重传过程所经历的时间的期望值为：

(2)

其中：

(3)

文件的重传回合数Gfile的均值可以计算如下：E(Gfile)=E(Gpdu_max)=

(4)

现在分析每个PDU的数据传输过程，来计算第i个PDU的重传回合的数目小于m的概率p(Gpdu_i

1-ppdu·(ppduNr)m-1

(5)

此时，公式(4)可以写作：

(6)

因此，总的文件传递时延为：

(7)

特别是，当Nr=1时，即为延迟型NAK CFDP。

2.2 重传Nr次额外传输开销的期望值

文件传递时延和额外传输开销是网络传输性能的不同度量指标，不同飞行任务时需要满足不同的需求。例如，一个火星着陆器的默认指标是最小化传递到下一个节点的文件传递时延，但是当星上的可用资源变得稀缺时，可能该着陆器就会选择将额外传输开销作为度量标准。

初始传输过程的开销是固定的，因此定义额外传输开销Wr为重传过程中重传所有PDU的开销，即：

(8)

3 自适应控制模块的设计准则

3.1 重传Nr次导致的重传回合数的变化

由式(6)可以看出，在每个重传回合中，增大重传丢失PDU的次数Nr，可以降低文件的重传回合数。定义重传Nr1次CFDP与重传Nr2次CFDP的重传回合数之间的差值为E(Nr1,Nr2)，则根据式(6)，可以得到：

E(Nr1,Nr2)=

(9)

可以看出，E(Nr1,Nr2)取决于链路的丢包率，文件包含的PDU个数,以及Nr1和Nr2的取值，与链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比没有关系。考虑重传Nr次CFDP相比于延迟型NAK CFDP的重传回合数的差值，即令Nr2=1。图2给出了在不同的丢包率及Nr时的E(Nr，1)值。可以看出，随着Nr的增大，在不同丢包率条件下，E(Nr，1)均增大。Nr=5时的E(Nr，1)相比于Nr=4时的E(Nr，1)增大得已经不明显了，本文假设Nr取值为1、2、3、4和5。

图3给出了在不同的PDU个数及Nr时的E(Nr，1)值。同理，可以从图3中看出，随着Nr的增大，在不同PDU个数下，E(Nr，1)均增大。

3.2 重传Nr次导致的重传PDU个数的变化

第3.1节给出了重传Nr次CFDP相比于延迟型NAK CFDP在重传回合数之间的差值，但是，这不能被直接转换为两个算法之间的文件传递时延的差值，这是因为重传Nr次CFDP在每个重传回合对丢失的PDU都重传了Nr遍，所以导致了发送时间的增加。不失一般性，定义重传Nr1次CFDP与重传Nr2次CFDP的总共重传的PDU数目之间的差值为R(Nr1,Nr2)，则根据式(3)，可以得到：

R(Nr1,Nr2)=

(10)

可以看出，R(Nr1,Nr2)取决于链路的丢包率，文件包含的PDU个数，以及Nr1和Nr2的取值，与链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比没有关系。考虑重传Nr次CFDP相比于延迟型NAK CFDP的总共重传的PDU数目之间的差值，即令Nr2=1。图4给出了在不同丢包率及Nr时的R(Nr，1)。可以看出，随着Nr的增大，在不同丢包率条件下，R(Nr，1)均增大。同时，也可以看出，在给定Nr时，随着丢包率的增大，R(Nr，1)也增大。

图5给出了在不同的PDU个数及Nr时的R(Nr，1)值，可以看出，随着Nr的增大，在不同PDU个数时，R(Nr，1)均增大。在给定Nr时，随着PDU个数的增加，R(Nr，1)越来越大。

3.3 自适应调节模块的设计准则

自适应调节模块的设计依据是根据文件PDU个数、丢包率、链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比等参数调节重传次数达到最低总时延。为使重传Nr1次相比于重传Nr2次时(Nr1≥Nr2)，文件传递时延更短，需要保证由于重传次数增大所带来的重传回合时间的减小要大于所带来的重传PDU的传输时间的增大，即要满足如下不等式：

(11)

将式(9)和(10)代入式(11)，得到不等式：

(12)

式中：Tprop/Tpdu为链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比。因此，自适应调节模块的输入为丢包率ppdu、链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比Tprop/Tpdu、PDU个数Npdu。首先初始化Nr2为1，Nr1为Nr2加1。判断式(12)是否满足，如果满足，则将Nr1赋值给Nr2，Nr1在原值上加1；如果不满足，则Nr2不变，Nr1在原值上加1。重复对式(12)进行判断并对Nr1和Nr2赋值，以此类推直到Nr1为5时结束。此时判断式(12)是否满足，如果满足，将Nr1输出作为本算法的重传次数，否则将Nr2输出作为本算法的重传次数。

同时，若星上资源有限，需要考虑额外传输开销的影响，设额外传输开销阈值为Wth，则需保证重传Nr次时额外传输开销Wr不大于Wth。

4 仿真结果与数值分析

本节采用Matlab对上文提出的AR-FDP算法进行仿真。不失一般性，考虑了两种仿真场景，一种为地月通信，一种为地火通信，其中参数配置见表1。

表1 仿真参数及配置

图6(a)(d)分别给出了在地月场景和地火场景下，本文提出的AR-FDP、延迟型NAK CFDP、双重传CFDP[14]和仅根据误码率调节重传次数的RSFDP[15]的文件传递时延。不论在何种场景下，使用本文的AR-FDP，均可以得到最小的文件传递时延。

由图6(a)可以看出，在地月场景下，当文件PDU个数为1k时，采用RSFDP，文件传递时延远大于其他3种算法，而其他3种算法所得到的文件传递时延几乎重合，这也说明仅根据误码率调节Nr是远远不够的；而当文件PDU个数为100 k时，可以由第3节的自适应调节模块算法得出最佳的重传次数为1，即本文的AR-FDP重传次数为1，所以图6(b)中AR-FDP与延迟型NAK CFDP两条曲线重合在一起，双重传CFDP性能次之，RSFDP性能最差。图6(a)中当丢包率为0.79时，采用AR-FDP和RSFDP得到的文件传递时延分别为266 s和302 s，相比于RSFDP，采用AR-FDP可以降低11.8%的文件传递时延。而在图6(b)中，当丢包率为0.79时，相比于RSFDP，采用AR-FDP可以降低28.05%的文件传递时延。图6(a)和图6(b)的不同之处在于PDU个数大小，这说明当PDU个数增大时，采用AR-FDP所减小的文件传递时延的百分比在逐步升高，即本文所提出的算法相对于其他算法的优势在逐步增强。

由图6(c)(d)可以看出，在地火场景下，当丢包率较大(大于0.077)时，延迟型NAK CFDP性能最差，双重传CFDP次之，RSFDP算法性能略低于AR-FDP算法。图6(c)中当丢包率为0.79时，采用AR-FDP、双重传CFDP、延迟型NAK CFDP得到的文件传递时延分别为10 277 s、23 194 s和39 957 s。相比于双重传CFDP和延迟型NAK CFDP，采用AR-FDP可以分别降低55.69%和74.28%的文件传递时延。而在图6(d)中，当丢包率为0.79时，相比于双重传CFDP和延迟型NAK CFDP，采用AR-FDP可以分别降低25.12%和28.61%的文件传递时延。图6(c)和图6(d)的不同之处在于PDU个数大小，这说明当PDU个数增大时，采用AR-FDP所减小的文件传递时延的百分比在逐步降低，即本文所提出的算法相对于其他算法的优势在逐步减弱。

由上述仿真结果，可以得到如下结论：

1)使用本文所提出的自适应文件传输协议AR-FDP，可以根据具体的任务及环境条件，自适应调节重传回合中重传PDU的次数，相比于其他3种文件传输协议，所需要的文件传递时延减小。尤其当丢包率较大时，这种优势更加明显。

2)与RSFDP协议相比，在链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比较小(例如地月场景)且丢包率较大(大于0.077)时，AR-FDP所得到的文件传递时延远小于RSFDP，文件传递时延的减小较为明显，尤其是当PDU个数较大(100 k)时，该减小趋势尤为明显。

3)与双重传CFDP和延迟型NAK CFDP协议相比，在链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比较大(例如地火场景)且丢包率较大(大于0.077)时，AR-FDP所得到的文件传递时延远小于双重传CFDP和延迟型NAK CFDP协议，文件传递时延的减小较为明显，尤其是当PDU个数较小(1 k)时，该减小趋势尤为明显。

4)比较RSFDP、双重传CFDP和延迟型NAK CFDP三种文件传输协议：当丢包率较大、链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比较小、PDU个数较大时，延迟型NAK CFDP更加适合，文件传递时延远小于其他两种算法。这可以通过第2节的推导分析：此时重传Nr次引入的重传PDU的发送时间很大，远远大于重传Nr次引入的重传回合数所经历的传播时间。而当丢包率较大、链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比较大、PDU个数较小时，延迟型NAK CFDP性能低于其他两种算法。这是因为此时由于重传Nr次引入的重传PDU的发送时间很小，远远小于由于重传Nr次引入的重传回合数所经历的传播时间，所以延迟型NAK CFDP性能最差。

5 结束语

本文在延迟型NAK CFDP基础上提出了一种在重传时重传Nr次丢失PDU的自适应文件传输协议AR-FDP，该自适应协议通过本地的自适应调节模块，可以实现根据文件PDU个数、丢包率、链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比等参数自适应调节Nr的取值，同时还可以考虑额外的重传开销的影响。针对地月通信和地火通信场景，进行了仿真。仿真结果表明，在链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比较小(地月场景)且丢包率较大、PDU个数较大(100 k)时，AR-FDP所得到的文件传递时延远小于RSFDP；而在链路单向传播时延与单个PDU发送时延之比较大(地火场景)且丢包率较大、PDU个数较小(1 k)时，AR-FDP所得到的文件传递时延远小于双重传CFDP和延迟型NAK CFDP协议。需要指出的是，AR-FDP协议并不仅限于这两种空间任务场景，在各种实际任务和链路环境下可以自适应调节Nr的取值，相比于延迟型NAK CFDP协议、双重传CFDP和RSFDP，均可有效降低文件传递时延。

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(编辑：车晓玲)

Design of adaptive retransmitted file delivery protocol in space communication

WANG Yang，YANG Hong*，CHEN Xiaoguang，CHEN Song

InstituteofMannedSpaceSystemEngineering，ChinaAcademyofSpaceTechnology，Beijing100094，China

CCSDS file delivery protocol (CFDP)was improved by double retransmission mechanism or setting the retransmitted times in view of bit error rate (BER). However，without considering the impact of the number of protocol data units (PDUs)，packet error rate (PER)and the ratio of link propagation delay to PDU transmission delay，these schemes are not the most appropriate in specific space missions under different channel conditions. Based on CFDP，a new file delivery protocol adjusting the retransmitted times of lost PDUs adaptively (AR-FDP)was proposed in space communication. The theoretical models of file delivery time and extra transmission effort of AR-FDP were established. Also，the effects of retransmitted times on the number of retransmission rounds and the number of retransmitted packets were analyzed and the scheme of the adaptive control module was presented. The theoretical analysis and simulation results indicate that the AR-FDP shortens the file delivery time by 55.69% and 74.28% compared to the double retransmission scheme and CFDP respectively in Mars-to-Earth communication with PDU number of 1k and PER of 0.79. In Moon-to-Earth communication，the AR-FDP shortens the file delivery time by 28.05% compared to the scheme adjusting the retransmitted times in view of BER with PDU number of 100k and PER of 0.79.

file delivery protocol；adaptive；space communications；file delivery time；extra transmission effort；theoretical model

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0042

2016-12-15；

2017-04-05；录用日期：2017-05-18；网络出版时间：2017-05-31 09:36:41

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170531.0936.001.html

王洋(1984-)，女，博士研究生，happyangw@163.com，研究方向为航天器测控与通信，深空通信网络协议设计

*通讯作者：杨宏(1963-)，男，研究员，yanghong55@gmail.com，研究方向为航天器总体设计

王洋，杨宏，陈晓光，等.空间通信自适应文件传输协议设计[J].中国空间科学技术，2017，37(3)：53-61.WANGY，YANGH，CHENXG，etal.Designofadaptiveretransmittedfiledeliveryprotocolinspacecommunication[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(3)：53-61(inChinese).

TP919

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http:∥zgkj.cast.cn