[发明专利]一种适用于深空星际卫星网络的高效交互传输方法

说明书

技术领域

本发明属于深空星际卫星网络传输技术领域。

背景技术

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10^-1。

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1G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。