[发明专利]一种基于喷泉码的深空多文件传输方法

说明书

技术领域

本发明属于深空通信技术领域，涉及一种基于喷泉码的深空多文件传输方法。

背景技术

深空通信是深空探测的基础，承载着深空探测中大量数据的可靠传输。深空通信环境具有完全不同于地球通信环境的特点，传统的数据传输策略不再适用于深空通信。针对深空通信中传输距离遥远、时延大、高误码率、功率受限、链路间歇中断以及信道非对称等特点，基于星际互联网提出高效可靠的文件传输策略成为研究热点。

深空文件传输策略主要有2个研究方向：(1)改进TCP协议使之适应深空通信环境，如TP-Planet等；(2)针对深空环境的特点专门制定的深空文件传输策略，诸如空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)提出文件传输协议(CCSDS File Delivery Protocol,CFDP)和延时容忍网络(Delay Tolerant Networks,DTN)中的文件传输策略等。基于TCP协议的改进包括压缩头部降低开销、增大发送窗口提高链路利用率、修改定时器减少不必要的重传、采用NACK或SNACK减少重传、采用新的初始状态算法尽快占用链路资源以及采用新的拥塞控制机制提高有效吞吐量等。针对深空环境专门制定的文件传输策略采用不依赖反馈的发送机制，并减少发送双方之间的信令交互，以充分利用宝贵的链路资源。

基于TCP协议的改进协议在深空网络中的性能明显好于TCP协议，但必须保证中间节点的路由功能，并且对链路间断连接的解决仍存在问题。随着时延和误码率的进一步增加，这些改进协议的性能迅速下降。DTN中的传输策略对时延不敏感，多采用存储—携带—转发机制。深空通信节点要处理大量的数据，且存储空间有限，这样一来不但增大时延，还有可能因为存储空间有限而丢失一些重要数据。目前，应用较多的是CCSDS提出的CFDP协议。它不仅提供一般的文件传输功能，还具有文件管理功能。CFDP协议采用四种否定确认方式来保证文件传输的可靠性：延迟否定确认、立即否定确认、提示否定确认和异步否定确认。下面以延迟否定确认方式为例，简述CFDP协议的工作方式。步骤如下：

(1)发送方首先将包含文件信息和发送方标识的元协议数据单元(Metadata Protocol Data Unit,MPDU)发送给接收方，紧接着发送协议数据单元(Protocol Data Unit,PDU)，直到发送完文件结束标识(End of File,EOF)后，发送方进入等待状态。

(2)接收方接收PDU，接收到EOF后回复发送方ACK EOF确认信息，随后接收方统计丢失的PDU信息，并将此信息包含在NAK信息中反馈给接收方并启动NAK定时器。发送方收到NAK信息后释放已经确认的PDU所占的缓存，同时发送丢失的PDU。当NAK定时器到时后，接收方再次对缓存中的PDU进行检测，如果仍未成功接收，那就重复上一过程，直到包括MPDU在内的全部PDU都被成功接收为止。

(3)接收方发送结束符FIN以通知文件传输成功，发送方在接收到FIN后回复确认信息ACK FIN，同时关闭链路连接并释放其缓存，接收方在收到ACK FIN后也关闭链路连接，整个文件传输结束。

CFDP协议针对深空通信环境专门进行了优化，其不依赖反馈的发送机制、确认反馈与否定确认反馈结合的反馈重传机制一方面为深空文件传输提供了可靠服务，另一方面提高了链路利用率，缩短了文件传输时间。

实际上，深空通信环境恶劣，传输距离遥远、时延大、误码率高。深空通信环境中经常会达到10^-7至10^-4级别的误码率，这将导致一个文件可能需要多次重传才能成功接收。对于CFDP协议延迟否定确认模式，在不同的丢包率下，传输1000个数据包，平均需要的重传次数如下表所示：

表1 CFDP的传输次数