CN105119695A - 一种基于快速否定应答的空间文件传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于卫星通信技术领域的一种基于快速否定应答的空间文件传输方法。文件的发送端与接收端通过请求/应答交互建立连接；发送端向接收端传输数据包，所传输的数据以EOF命令帧结尾；成功完成所有数据包传输后，接收端反馈FIN命令帧；发送端完成数据包传输后，若接收端校验有数据包未被正确接收，则接收端反馈补包请求NAK，并开启NAK计时器；若计时器到期仍未收到发送端重传的补包，则快速重传NAK；发送端收到FIN命令帧后反馈文件传输结束应答。采用了命令纠错机制、NAK快速重传机制、NAK帧结构压缩机制，能够有效适应空间链路环境，提升文件传输的吞吐量和传输效率，具有低文件传输时间，高吞吐量的优点。

Description

一种基于快速否定应答的空间文件传输方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及一种基于快速否定应答的空间文件传输方法。

背景技术

随着航天技术的快速发展，航天器(卫星)的处理能力不断增强，采用星上处理技术支持的各种空间应用越来越丰富，文件传输协议是支持各种空间业务的基础协议之一。由于空间网络存在长延时、高误码率、链路非对称等特点，地面互联网中广泛应用的TCP/FTP协议应用于空间网络中会出现发送窗口增长缓慢、误将丢包认为拥塞而减小发送窗口、大量确认回传包使反向链路拥塞等问题，难以直接应用于空间网络进行文件传输；CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems，空间数据系统咨询委员会)提出了CFDP(CCSDSFileDeliveryProtocol，CCSDS文件传输协议)，通过四种否定确认机制实现可靠传输。但在链路误码率较高，链路速率非对称情况下，CFDP协议存在信令误包率较高(未对信令进行保护)、反向链路开销较大等问题，性能仍有提升空间。因此，本发明提出一种基于快速否定应答的空间文件传输方法，具有低文件传输时间，高吞吐量的优点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于快速否定应答的空间文件传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)文件发送端与文件接收端通过请求/应答交互建立连接；

2)文件发送端与文件接收端连接就续后，文件发送端开始向文件接收端传输数据包，所传输的数据以EOF命令帧结尾；成功完成所有数据包传输后，文件接收端反馈FIN命令帧，标志文件传输成功；

3)文件发送端完成数据包传输后，若文件接收端校验有数据包未被正确接收，则文件接收端反馈补包请求NAK，并开启NAK计时器；若计时器到期仍未收到文件发送端重传的补包，则快速重传NAK以降低文件传输时间；

4)文件发送端收到FIN命令帧后反馈文件传输结束应答，标志一次文件传输过程结束。

所述EOF命令帧和FIN命令帧定长，EOF命令帧和FIN命令帧的传输利用链路适配的填充字节对信令进行纠错处理；具体为对EOF命令帧和FIN命令帧尾部填充来进行冗余编码。

所述补包请求NAK为定长包，采用了帧结构压缩技术减少开销；补包请求NAK用包编号而非偏移量指针来表示丢包，每个丢包占2字节；这种帧结构压缩方法将NAK的平均包长由8N_LP/N_NAK-S变为2N_L/N_NAK-S，其中，N_L/N_NAK-S为NAK的平均重传次数；P为重传包中平均连续错误段数与错误包数的比值，在链路误码率小于10^-4时，P>0.9。

所述NAK计时器包括NAK计时器timer₁和NAK计时器timer₂；NAK计时器timer₁用于快速重传NAK，NAK计时器timer₂用于触发下一次NAK的发送；具体为：

timer₁＝2×T_PROP+T_PDU+T_NAK

timer₂＝(N_L-1)T_PDU

其中，T_PROP表示传播延时；T_PDU表示数据包的发送延时；T_NAK表示补包请求NAK的发送延时；N_L为请求重传补包数。

本发明的有益效果是针对现有空间文件传输方法存在文件传输时间长、吞吐量低的问题，提出了一种基于快速否定应答的空间文件传输方法，文件传输过程中采用了命令纠错机制、NAK快速重传机制、NAK帧结构压缩机制，能够有效适应空间链路环境，提升文件传输的吞吐量，提高文件传输效率，具有低文件传输时间，高吞吐量的优点。

附图说明

图1为基于快速否定应答的空间文件传输方法流程图。

图2为文件传输过程中的帧结构示意图。

图3为节点A从节点B下载文件的流程图。

图4为节点A从节点B上传文件的流程图。

具体实施方式

本发明提出一种基于快速否定应答的空间文件传输方法，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

图1所示为基于快速否定应答的空间文件传输方法流程图，包括如下步骤：

1)文件发送端与文件接收端通过请求/应答交互建立连接；

2)文件发送端与文件接收端连接就续后，文件发送端开始向文件接收端传输数据包，所传输的数据以EOF(EndOfFile)命令帧结尾；成功完成所有数据包传输后，文件接收端反馈FIN(Finished)命令帧，标志文件传输成功；

3)文件发送端完成数据包传输后，若文件接收端校验有数据包未被正确接收，则文件接收端反馈补包请求NAK，并开启NAK计时器；若计时器到期仍未收到文件发送端重传的补包，则快速重传NAK以降低文件传输时间；

4)文件发送端收到FIN命令帧后反馈文件传输结束应答，标志一次文件传输过程结束。

其中，EOF命令帧和FIN命令帧定长，EOF命令帧和FIN命令帧的传输利用链路适配的填充字节对信令进行纠错处理，在不增加额外开销的前提下，降低了信令误包率，提升了传输效率；具体为对EOF命令帧和FIN命令帧尾部填充来进行冗余编码，将EOF命令帧和FIN命令帧一半的内容进行重复编码，可有效降低命令帧错误概率，使命令帧错误概率由1-(1-P_b)^L降为(1-(1-P_b)^L/2)²，上式中，P_b为链路误码率；L为信令包长，进而降低文件传输时间。对信令进行冗余编码利用了链路适配的填充字节，一般不会增加额外开销。

其中，补包请求NAK为定长包，采用了帧结构压缩技术减少开销以提升文件传输效率；补包请求NAK用包编号而非偏移量指针来表示丢包，每个丢包占2字节；这种帧结构压缩方法将NAK的平均包长由8N_LP/N_NAK-S变为2N_L/N_NAK-S，其中，N_L/N_NAK-S为NAK的平均重传次数；P为重传包中平均连续错误段数与错误包数的比值，在链路误码率小于10^-4时，P>0.9。相比于CFDP，本发明提出的基于快速否定应答的空间文件传输方法的NAK包平均包长更小，特别是在空间链路非对称的环境中，反向链路速率较低，NAK帧结构压缩能够大大提高文件传输效率。

其中，NAK计时器包括NAK计时器timer₁和NAK计时器timer₂；NAK计时器timer₁用于快速重传NAK，NAK计时器timer₂用于触发下一次NAK的发送；具体为：

timer₁＝2×T_PROP+T_PDU+T_NAK

timer₂＝(N_L-1)T_PDU

其中，T_PROP表示传播延时；T_PDU表示数据包的发送延时；T_NAK表示补包请求NAK的发送延时；N_L为请求重传补包数。本发明提出的基于快速否定应答的空间文件传输方法在重传NAK时少等待了一个timer₂，从而降低了文件传输时间。

图2为文件传输过程中的帧结构示意图，文件传输过程中的帧结构分为命令帧与数据帧两种，采用数据帧传输一个文件片段，其数据帧的流序号是连续的(流序号从0开始)；对于非结尾的数据帧，其有效净荷均为118字节；最后一个结尾的数据帧，其有效净荷为变长，尾部用0x55填充。在这种表达方式下，从表达能力角度看，一个文件片段允许的最大长度为3776KB，实际星载控制器(OBC)的存储能力要求文件片段长度小于1MB。本发明提出的基于快速否定应答的空间文件传输方法支持文件传输的断点续传功能，不为传输文件维护专门的任务配置文件，断点续传功能依赖于所传输文件大小的比对和追加。

本发明以节点A从节点B下载文件、节点A从节点B上传文件为具体实施例。

图3为节点A从节点B下载文件的流程图，具体步骤如下：

步骤301)节点A动作：发送会话初始化请求；节点B动作：应答会话初始化成功；

步骤302)节点A动作：发送登录请求；节点B动作：应答登录成功；

步骤303)节点A动作：发送下载列表文件请求；节点B动作：应答当前目录的清单列表文件描述信息；

步骤304)节点A动作：发送指定下载片段请求(下载的是当前目录的清单列表文件)；节点B动作：应答指定下载片段应答；

步骤305)节点A动作：发送启动片段下载请求；节点B动作：应答启动片段下载应答；

步骤306)节点A动作：无；节点B动作：开始发送片段的第一包数据，第二包数据及后续数据，一直发完该片段的所有数据；

步骤307)节点A动作：校验此片段的包序号是否完整，如果有缺失，则发送片段片段下载补包请求；节点B动作：发送补包数据包；

步骤308)节点A动作：无；节点B动作：补包数据包发送完毕后，应答片段下载补包应答；

步骤309)节点A动作：校验包序号完整后，计算片段CRC32，校验成功则发送结束片段下载请求；如果片段校验失败，则从步骤304)开始重新下载片段；节点B动作：应答结束片段下载应答；如果清单列表文件存在多于1个片段的话重复步骤304)～309)下载多个片段；节点A校验所有文件片段下载完成，校验完整文件内容。成功则当前目录清单列表文件下载完成；

步骤310)节点A动作：发送结束会话请求；节点B动作：应答结束会话应答。

图4为节点A从节点B上传文件的流程图，具体步骤如下：

步骤401)节点A动作：发送上传文件描述信息请求；节点B动作：应答上传文件描述信息应答；

步骤402)节点A动作：发送指定上传片段请求；节点B动作：应答指定上传片段应答；

步骤403)节点A动作：发送启动片段上传请求；节点B动作：应答启动片段上传应答；

步骤404)节点A动作：开始发送片段的第一包数据，第二包数据及后续数据，一直发完该片段的所有数据；计算该片段所有数据上传完毕，发送片段上传校验请求；节点B动作：校验片段包序号完整，校验字正确，则应答片段上传校验应答成功；如果缺失则应答补包，仍在命令字中指出补包个数和相应的序号；如果校验字比对错误则应答补包个数为0，校验失败，此时需要地面站补发所有的包；

步骤405)节点A动作：发送补包数据；再次发送片段上传校验请求，直到收到片段上传校验应答成功；节点B动作：应答校验片段包序号完整，校验字正确；

步骤406)节点A动作：发送片段上传结束请求；节点B动作：应答结束片段上传应答；重复步骤402)-406)，发送其余的片段；

步骤407)节点A动作：发送文件上传校验请求；节点B动作：校验完整文件校验字，应答文件上传校验应答；

步骤408)节点A动作：发送结束会话请求；节点B动作：应答结束会话应答。

本发明提出一种基于快速否定应答的空间文件传输方法，用户采用该方法下载或上传文件的过程中，通过发送文件片段下载或上传请求、接收数据包、校验及请求补包、确认正确接收，实现了文件片段的下载或上传，成功下载或上传所有文件片段即成功下载了整个文件。

文件传输过程中采用了命令纠错机制，在定长的EOF命令帧和FIN命令帧中，由于尾部填充，将其一半的内容进行重复编码，可降低命令帧错误概率，减少传输过程中命令帧重传次数，进而降低文件传输时间。

文件传输过程中采用了NAK快速重传机制，接收端将NAK计时器长度设为：NAK发送延时+数据包发送延时+往返时间，即能接收完第一个补包的时间，这样如果NAK在传输过程中发生错误，接收端能够在此计时器到期时，第一时间发现并重传NAK，可降低文件传输时间。

文件传输过程中采用了NAK帧结构压缩机制，NAK采用定长帧，用2字节表示一个丢包，如果丢包个数超过一个NAK帧能表示的上限，则需发送下一个NAK帧，直到所有丢包都表示完毕。这样的NAK帧结构可降低NAK数据量，进而降低文件传输时间。

相比于现有的空间文件传输方法，本发明提出的基于快速否定应答的空间文件传输方法中，命令帧的传输利用了链路适配的填充字节对信令进行纠错处理，在不增加额外开销的前提下，降低了信令误包率，提升了传输效率；利用NAK(NegativeAcknowledgment)快速重传和NAK帧结构压缩机制降低了文件传输时间并减少了开销。因此，本发明提出的基于快速否定应答的空间文件传输方法能够有效适应空间链路环境，提升文件传输的吞吐量，提高文件传输效率，具有低文件传输时间，高吞吐量的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于快速否定应答的空间文件传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)文件发送端与文件接收端通过请求/应答交互建立连接；

2)文件发送端与文件接收端连接就续后，文件发送端开始向文件接收端传输数据包，所传输的数据以EOF命令帧结尾；成功完成所有数据包传输后，文件接收端反馈FIN命令帧，标志文件传输成功；

3)文件发送端完成数据包传输后，若文件接收端校验有数据包未被正确接收，则文件接收端反馈补包请求NAK，并开启NAK计时器；若计时器到期仍未收到文件发送端重传的补包，则快速重传NAK以降低文件传输时间；

4)文件发送端收到FIN命令帧后反馈文件传输结束应答，标志一次文件传输过程结束。

2.根据权利要求1所述一种基于快速否定应答的空间文件传输方法，其特征在于，所述EOF命令帧和FIN命令帧定长，EOF命令帧和FIN命令帧的传输利用链路适配的填充字节对信令进行纠错处理；具体为对EOF命令帧和FIN命令帧尾部填充来进行冗余编码。

3.根据权利要求1所述一种基于快速否定应答的空间文件传输方法，其特征在于，所述补包请求NAK为定长包，采用了帧结构压缩技术减少开销；补包请求NAK用包编号而非偏移量指针来表示丢包，每个丢包占2字节；这种帧结构压缩方法将NAK的平均包长由8N_LP/N_NAK-S变为2N_L/N_NAK-S，其中，N_L/N_NAK-S为NAK的平均重传次数；P为重传包中平均连续错误段数与错误包数的比值，在链路误码率小于10^-4时，P>0.9。

4.根据权利要求1所述一种基于快速否定应答的空间文件传输方法，其特征在于，所述NAK计时器包括NAK计时器timer₁和NAK计时器timer₂；NAK计时器timer₁用于快速重传NAK，NAK计时器timer₂用于触发下一次NAK的发送；具体为：

timer₁＝2×T_PROP+T_PDU+T_NAK

timer₂＝(N_L-1)T_PDU

其中，T_PROP表示传播延时；T_PDU表示数据包的发送延时；T_NAK表示补包请求NAK的发送延时；N_L为请求重传补包数。