梁迎春

肇慶學(xué)院電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東肇慶 526061

CFDP協(xié)議中延遲NAK文件傳輸時(shí)間分析與仿真*

梁迎春

肇慶學(xué)院電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東肇慶 526061

未來(lái)的深空通信需要一個(gè)魯棒的、有效與可靠的文件傳輸協(xié)議，在研究CCSDS提出的CFDP協(xié)議基礎(chǔ)上，針對(duì)延遲NAK模式提出了一種新的分析方法。在保證吞吐量的前提下，對(duì)ARQ定時(shí)器優(yōu)化設(shè)置，導(dǎo)出了平均文件傳輸時(shí)間的理論表達(dá)式。在單跳直連鏈路中，對(duì)不同條件下的平均文件傳輸時(shí)間進(jìn)行了仿真與數(shù)值分析。仿真結(jié)果表明平均文件傳輸時(shí)間與PDU錯(cuò)誤概率、PDU數(shù)目及單向傳播時(shí)間等有密切關(guān)系。隨機(jī)仿真與理論分析具有很好的一致性。

深空通信;CCSDS;CFDP;延遲NAK;平均文件傳輸時(shí)間

在深空探測(cè)任務(wù)中，文件傳輸協(xié)議肩負(fù)著傳輸指令信息和傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)和圖像等數(shù)據(jù)的任務(wù)。因此，文件傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)的可靠性與有效性是整個(gè)深空探測(cè)任務(wù)成功的重要保證。

由于深空通信具有巨大傳播時(shí)延和鏈路衰減大、帶寬不對(duì)稱、鏈路斷續(xù)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議性能變得很差［1］。因此，空間數(shù)據(jù)咨詢委員會(huì)(CCSDS，Consultative Committee for Space Data Systems)根據(jù)空間任務(wù)的信息傳輸要求，提出了CCSDS文件傳輸協(xié)議(CFDP，CCSDS File Delivery Proto-col)［2］。

CFDP是一個(gè)面向傳輸?shù)膽?yīng)用層通信協(xié)議，同時(shí)又集成了OSI傳輸層功能。它包含兩種協(xié)議操作:核心文件傳輸操作和擴(kuò)展文件傳輸操作。CFDP的核心操作提供了在單跳直連鏈路中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)文件傳輸功能，其擴(kuò)展操作是為了適應(yīng)更復(fù)雜任務(wù)場(chǎng)景且發(fā)送端和接收端無(wú)直連鏈路情況下而設(shè)計(jì)的，它支持包含多條鏈路任意網(wǎng)絡(luò)的多跳(Multi-hops)文件傳輸。本文在前者的基礎(chǔ)上建模并做了仿真分析。在深空鏈路中，CFDP利用存儲(chǔ)器發(fā)送和接收文件，適合從近地軌道到星際空間鏈路的不同信道，并可選擇文件的傳輸質(zhì)量，包括不可靠服務(wù)和基于重傳機(jī)制的可靠服務(wù)［3］。

根據(jù)不同的任務(wù)需要和傳輸能力，CFDP提供了多種差錯(cuò)控制模式，包括無(wú)應(yīng)答模式(Unacknowledged)和應(yīng)答模式(Acknowledged)，其中應(yīng)答模式又可根據(jù)NAK信號(hào)發(fā)送時(shí)間的不同分為4種模式:延遲 NAK(Deferred NAK)、立即 NAK(Immediate NAK)、提示NAK(Prompted NAK)和異步 NAK(A-synchronous NAK)［3］。其中，延遲 NAK 和立即 NAK是CFDP主要采用的兩種模式。Ruhai Wang等對(duì)CFDP在地月通信鏈路中的不可靠服務(wù)做了詳細(xì)的分析［4］。鑒于空間數(shù)據(jù)的重要性，Daniel C.Lee和Wonseok Baek對(duì)延遲NAK和立即NAK模式做了理論分析［5-6］，但是在場(chǎng)景設(shè)定與分析時(shí)，顯得有些重疊，本文主要針對(duì)延遲NAK模式場(chǎng)景的不同設(shè)置，簡(jiǎn)化了理論分析過(guò)程，把N個(gè)PDU的首次傳輸過(guò)程與反饋重傳階段分開(kāi)，重點(diǎn)分析重傳階段的過(guò)程。此外，焦健等對(duì)提示NAK和異步NAK模式分兩個(gè)傳輸階段建模并仿真分析［7-8］。

1 延遲NAK模式

在CFDP中，文件傳輸被稱為一個(gè)“事務(wù)”，發(fā)送端為每一個(gè)文件傳輸操作分配了一個(gè)事務(wù)ID號(hào)。事務(wù)ID號(hào)與源ID和其他信息一起包含在每一個(gè)PDU的報(bào)頭里。發(fā)送端通過(guò)發(fā)送元數(shù)據(jù)PDU來(lái)通知接收端文件傳輸?shù)拈_(kāi)始。發(fā)送端不必等待接收端的ACK應(yīng)答才開(kāi)始文件PDUs的傳輸，也就是說(shuō)，在初始化“事務(wù)”時(shí)沒(méi)有握手過(guò)程［9］。在延遲NAK模式中，接收端直到正確收到發(fā)送端的EOF PDU后才發(fā)出NAKs重傳請(qǐng)求。在此過(guò)程中接收端統(tǒng)計(jì)直至EOF PDU成功接收時(shí)所有丟失的PDUs。在收到EOF PDU后，接收端發(fā)出ACK(EOF)并發(fā)出一個(gè)包含所有丟失PDUs的重傳請(qǐng)求NAK(如果需要的話)。一旦收到一個(gè)NAK，發(fā)送端立即重傳NAK所要求的PDUs。在接收端發(fā)出NAK后，立即啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)NAK定時(shí)器溢出時(shí)，接收端再次檢查丟失PDUs的記錄。如果仍有未收到的PDUs，接收端發(fā)出另一個(gè)NAK并再次啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器。這種過(guò)程一直持續(xù)到所有PDUs都被成功接收，包含全部的文件內(nèi)容PDUs和元數(shù)據(jù)PDU。在收到所有的PDUs后，接收端發(fā)出一個(gè)FIN PDU，且發(fā)送端一旦收到FIN PDU就回復(fù)一個(gè)ACK(FIN)，并關(guān)閉事務(wù)。接收端在成功接收ACK(FIN)后也隨之關(guān)閉事務(wù)［10］。

2 平均文件傳輸時(shí)間的數(shù)學(xué)分析

首先定義“文件傳輸時(shí)間”為從元數(shù)據(jù)PDU的第一比特開(kāi)始直到當(dāng)所有文件數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和EOF PDU被接收端成功接收的時(shí)刻?！癊OF傳輸時(shí)間”定義為發(fā)送端發(fā)送最后一個(gè)文件數(shù)據(jù)PDU后的時(shí)刻與接收端接收到無(wú)錯(cuò)誤的EOF PDU的最后一比特時(shí)刻間的時(shí)間間隔，“NAK重傳時(shí)間”定義為從接收端發(fā)出第一個(gè)NAK的第一比特開(kāi)始到所有重傳的PDUs被成功接收到的時(shí)刻為止，如圖1所示，其次定義N為攜帶文件數(shù)據(jù)的PDUs加上一個(gè)元數(shù)據(jù)PDU的總和?？梢?jiàn)，整個(gè)文件的傳輸時(shí)間包含四部分:單向傳播時(shí)間、N個(gè)文件PDU的傳輸時(shí)間、EOF傳輸時(shí)間和NAK重傳時(shí)間。

為了分析方便，假設(shè)如下:第一，N個(gè)PDUs等長(zhǎng)、具有相同的傳輸時(shí)間且發(fā)送失敗概率相等;第二，所有的重傳NAKs等長(zhǎng)且具有相同的發(fā)送失敗概率(雖然NAK的長(zhǎng)度取決于所要求重傳PDU的個(gè)數(shù)，但是這種差異很小且NAKs的長(zhǎng)度很小，所以這種假設(shè)對(duì)性能影響很小);第三，在前向和反向鏈路中的PDU錯(cuò)誤事件是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的;第四，由于EOF，ACK(EOF)和NAK的長(zhǎng)度相對(duì)于文件數(shù)據(jù)PDUs來(lái)說(shuō)很小，所以忽略這些PDUs的傳輸時(shí)間。文中分析用到的記號(hào)規(guī)定見(jiàn)表1。

由于深空探測(cè)器具有功率有限及傳輸帶寬極其嚴(yán)格的特點(diǎn)，為了保證鏈路最大吞吐率，應(yīng)該盡量避免同一PDU不必要的復(fù)制重傳。在此限定條件下，EOF定時(shí)器的最小設(shè)定值為2Tprop，NAK定時(shí)器的最小設(shè)定值為2Tprop+RTi，其中RTi表示第i次NAK重傳請(qǐng)求PDU的發(fā)送時(shí)間。

圖1 延遲NAK模式的平均文件傳輸時(shí)間

表1 符號(hào)定義

現(xiàn)在重點(diǎn)考慮重傳階段，定義隨機(jī)變量Hi為第i個(gè)PDU直到接收端成功接收所需的重傳次數(shù)。在這種假設(shè)條件下，Hi具有幾何分布特性。再定義一個(gè)隨機(jī)變量HM表示直至所有PDU成功被接收端接收所需的重傳次數(shù)，易知，HM=max{H1，H2，H3，…，HN}。

考慮到NAK定時(shí)器的最小設(shè)定值為2Tprop+RTi，那么第一個(gè)重傳階段所需時(shí)間的期望值為:

所以，整個(gè)重傳階段所需時(shí)間的期望值為:

通過(guò)以上分析可以得出，一個(gè)事務(wù)的文件傳輸時(shí)間期望值可表示為:

3 性能仿真與結(jié)果分析

利用Matlab工具進(jìn)行仿真分析，傳輸時(shí)間單位為天文單位 a.u.(astronomical unit，1a.u.=480s)。圖2～圖4仿真出平均文件傳輸時(shí)間隨PDU錯(cuò)誤概率、PDU數(shù)目、單向傳播時(shí)間等不同條件下的變化情況。由圖2可知，在單向傳播時(shí)間及PDU數(shù)目確定的情況下，單個(gè)PDU傳輸時(shí)間越多，在相同PDU錯(cuò)誤概率情況下所需的傳輸時(shí)間越多。由圖3不難看出，在PDU錯(cuò)誤概率及單向傳播時(shí)間固定的條件下，平均文件傳輸時(shí)間隨PDU數(shù)目的增加而不斷增加，且單個(gè)PDU傳輸時(shí)間越多，在相同PDU數(shù)目的情況下所需的傳輸時(shí)間越多。由圖4易知，在PDU錯(cuò)誤概率及單個(gè)PDU傳輸時(shí)間固定的情況下，平均文件傳輸時(shí)間隨單向傳播時(shí)間及PDU數(shù)目的增加而不斷增加。

圖5為平均文件傳輸時(shí)間對(duì)PDU錯(cuò)誤概率的Monte carlo仿真與數(shù)值分析曲線?？梢钥闯觯抡媲€與數(shù)值分析曲線非常匹配。這里，PDU錯(cuò)誤概率為0.01～0.5，單向傳播時(shí)間為1a.u.，雙向傳輸速率為20kbps，PDU數(shù)目為1000，且單個(gè)PDU傳輸時(shí)間為0.8s(PDU長(zhǎng)度2KB，文件大小2MB)。

4 結(jié)論

圖5 Monte carlo仿真與數(shù)值分析對(duì)比

本文對(duì)CFDP協(xié)議中的延遲NAK型可靠傳輸模式進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析。在充分考慮深空環(huán)境中功率及帶寬受限并嚴(yán)格保證吞吐量有效的情況下，把N個(gè)PDUs的首次傳輸過(guò)程與反饋重傳階段分開(kāi)，推算了延遲NAK型可靠傳輸模式的平均文件傳輸時(shí)間，優(yōu)化了ARQ定時(shí)器的等待時(shí)間。該理論分析過(guò)程相對(duì)于文獻(xiàn)［5］來(lái)說(shuō)，脈絡(luò)清晰，簡(jiǎn)單明了。下一步計(jì)劃在重傳階段選擇合適的重傳策略來(lái)減少重傳次數(shù)，從而縮短文件傳輸時(shí)間。結(jié)合鏈路層的具體情況如太陽(yáng)閃爍、降雨衰減等因素對(duì)CFDP文件傳輸協(xié)議進(jìn)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.

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［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，張欽宇，李暉，等.CFDP協(xié)議觸發(fā)NAK型文件傳輸時(shí)延的研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，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，張欽宇，李暉，等.CFDP協(xié)議異步NAK型文件傳輸時(shí)延的研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，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

*肇慶學(xué)院精品課程建設(shè)基金資助項(xiàng)目(200916)

2011-10-31

梁迎春(1975-)，女，廣西玉林人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信及EDA技術(shù)。