一种基于大规模卫星网络的动态性能增强代理设置方法技术

一种基于大规模卫星网络的动态性能增强代理设置方法，如果卫星系统设计中，卫星节点作转发使用时数据包通过传输层，由卫星传输层进行动态性能增强代理设置方法的启动判断；如果卫星系统设计中，卫星节点作转发使用时数据包不经过传输层，此时由卫星网络层通过跨层交互信息进行动态性能增强代理设置方法的启动判断；本发明专利技术基于卫星节点去监测丢包率和往返时延，通过丢包率和往返时延计算设置增益，与设定阈值比较，灵活启动和关闭；通过设置性能增强代理，代替源端应答，在长时延下快速增加窗口，提高吞吐量；链路发生误码丢包时通过代理卫星代替源端重传，降低重传距离，提高通信效率，降低源端重传率。降低源端重传率。降低源端重传率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于大规模卫星网络的动态性能增强代理设置方法


[0001]本专利技术属于空间信息
，特别涉及一种基于大规模卫星网络的动态性能增强代理设置方法。

技术介绍

[0002]卫星网络能够为沙漠地区及远洋海域等地面移动通信网络无法覆盖的区域提供通信服务，能实现全球宽带业务接入，满足未来多样化业务的传输要求，已经成为下一代移动网络中的重要组成部分。由于卫星网络在技术和环境上的限制，卫星网络中由卫星到地面的高度较高，传播时延较大；并且卫星网络中链路环境较差，误码率较高，这种高误码环境的影响会导致大量的误码丢包；传统传输层协议TCP(Transmission Control Protocol)并不适合长时延和高误码的卫星网络环境。大力研究和发展高速可靠的传输层协议已经变得不可避免并且十分紧迫。
[0003]目前传输层协议面临的挑战主要集中在两个方面：其一，由于大规模卫星网络中超长的传输距离，数据传输的带宽时延较大，这会导致拥塞控制窗口增长缓慢，当发生丢包后，传输协议的窗口降低，窗口的恢复会更加缓慢，限制了传输吞吐量。其二，卫星网络中面临的链路环境较差，误码率较高，如何避免误码丢包导致的传输速率降低和源端频繁重传是另一个挑战。
[0004]TCP分段技术在对用户终端保持透明的基础上通过在连接中设置代理将端到端TCP连接进行分段，由代理代替目的端应答，发生丢包或错误时由代理代替源端重传，从而优化各分段连接的性能，提高通信效率，这种技术也被称为性能增强代理(Performance Enhancing Proxy，PEP)。
[0005]E.Dubois等在文章“Enhancing TCP based communications in mobile satellite scenarios:TCP PEPs issues and solutions,"2010 5th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th Signal Processing for Space Communications Workshop,Cagliari,Italy,2010,pp.476
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483,doi:10.1109/ASMS
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SPSC.2010.5586878.”中通过对在卫星上的性能增强代理进行了优化，考虑了卫星移动带来代理切换问题，其方法是将代理设置于源端和目的端的接入星，当凝视源端和目的端的卫星移动时，进行代理的切换，但这种三段式的分段式架构并不完善，没有考虑过星间链路的突发高误码和大规模卫星网络的长传输距离，在卫星承载网中发生丢包时依旧面临两颗代理卫星重传距离过长的问题；同时，在大规模卫星网络中，由于星座结构的庞大，凝视地面位置区的卫星会频繁改变，这种方法存在通信效率低下、重传距离过长、切换频繁的缺点。同样，M.Liu等在文章“The Effects of a Performance Enhancing Proxy on TCP Congestion Control over a Satellite Network,2022 IEEE International Performance,Computing,and Communications Conference(IPCCC),Austin,TX,USA,2022,pp.325
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331,doi:10.1109/IPCCC55026.2022.9894351.”中研究了布置于地面网关的性能增强代理对传输协议拥塞控制问题的优化，其方法是将代理布置于地面，通过代理代
替目的端应答，降低了源端收到应答的时间，对于长时延的卫星网络在窗口增长阶段有着较高的增益，但是没有考虑大规模卫星网络中高误码率的问题，在实际场景中卫星通信过程中信号损耗较大，如星地链路会受到自由空间损耗、大气损耗、降雨损耗等的影响，各种损耗中自由空间损耗占主要作用，链路的长度越大，其自由空间损耗越大，这种损耗带来的丢包率必然会影响整个传输协议的性能，其次代理位置固定设置于地面，需要地面网关等硬件设备的支撑，部分用户无法使用，无法发挥大规模卫星覆盖广、功能全面的优点，存在实用性较差和重传频繁的缺点。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种基于大规模卫星网络的动态性能增强代理设置方法，基于卫星节点去监测丢包率和往返时延，通过丢包率和往返时延计算设置增益，与设定阈值比较，灵活启动和关闭；通过设置性能增强代理，代替源端应答，在长时延下快速增加窗口，提高吞吐量；链路发生误码丢包时通过代理卫星代替源端重传，降低重传距离，提高通信效率，降低源端重传率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：
[0008]一种基于大规模卫星网络的动态性能增强代理设置方法，如果卫星系统设计中，卫星节点作转发使用时数据包通过传输层，由卫星传输层进行动态性能增强代理设置方法的启动判断；如果卫星系统设计中，卫星节点作转发使用时数据包不经过传输层，此时由卫星网络层通过跨层交互信息进行动态性能增强代理设置方法的启动判断；传输层和代理模块位于同一个层级，高于网络层和数据链路层。
[0009]一种基于大规模卫星网络的动态性能增强代理设置方法，卫星系统设计中卫星节点作转发使用时数据包通过传输层，由卫星的传输层进行代理模式的启用判断和数据包处理，包括以下步骤：
[0010]1)监测阶段，卫星节点统计往返时延和丢包率以便后续计算增益指标：
[0011]1.1)连接建立：源端与目的端三次握手，建立连接进行通信；
[0012]1.2)路径上每颗卫星统计当前卫星与源端的往返时延以及源端与目的端的往返时延；
[0013]1.3)路径上每颗卫星节点统计丢包率，并记录最大丢包率；
[0014]2)卫星节点根据往返时延和丢包率进行性能增强代理模式的启动判断：
[0015]2.1)卫星的传输层与卫星的网络层交互下一个往返时延内是否会发生重路由的相关信息，判断启动代理后是否有效，如果有效，进行下一步判断，无效不启用；
[0016]2.2)卫星的传输层根据两段往返时延和丢包率计算增益指标；
[0017]2.3)卫星的传输层将增益指标与阈值比较，判断是否启动代理模式；
[0018]3)卫星的传输层判断启用代理模式后，启动缓冲态代理模式，直到收到大于储存的数据包最小序列号的ACK成为代理卫星；
[0019]3.1)判断启用代理模式后，卫星成为缓冲态代理卫星，进入缓冲状态，缓冲态代理卫星的传输层收到数据包后只复制数据包并将复制的数据包储存而不应答数据包；
[0020]3.2)缓冲态代理卫星的传输层将收到的原数据包发向目的端；
[0021]3.3)缓冲态代理卫星的传输层收到目的端反馈的ACK(Acknowledge)数据包，判断
是否结束缓冲态正式启用代理模式，如果对应序列号的数据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于大规模卫星网络的动态性能增强代理设置方法，其特征在于：如果卫星系统设计中，卫星节点作转发使用时数据包通过传输层，由卫星传输层进行动态性能增强代理设置方法的启动判断；如果卫星系统设计中，卫星节点作转发使用时数据包不经过传输层，此时由卫星网络层通过跨层交互信息进行动态性能增强代理设置方法的启动判断；传输层和代理模块位于同一个层级，高于网络层和数据链路层。2.根据权利要求1所述的方法，卫星系统设计中卫星节点作转发使用时数据包通过传输层，由卫星的传输层进行代理模式的启用判断和数据包处理，其特征在于，包括以下步骤：1)监测阶段，卫星节点统计往返时延和丢包率以便后续计算增益指标：1.1)连接建立：源端与目的端三次握手，建立连接进行通信；1.2)路径上每颗卫星通过时间戳统计当前卫星与源端的往返时延以及源端与目的端的往返时延；1.3)路径上每颗卫星节点统计丢包率，并记录最大丢包率；2)卫星节点根据往返时延和丢包率进行性能增强代理模式的启动判断：2.1)卫星的传输层与卫星的网络层交互下一个往返时延内是否会发生重路由的相关信息，判断启动代理后是否有效，如果有效，进行下一步判断，无效不启用；2.2)卫星的传输层根据两段往返时延和丢包率计算增益指标；2.3)卫星的传输层将增益指标与阈值比较，判断是否启动代理模式；3)卫星的传输层判断启用代理模式后，启动缓冲态代理模式，直到收到大于储存的数据包最小序列号的ACK成为代理卫星；3.1)判断启用代理模式后，卫星成为缓冲态代理卫星，进入缓冲状态，缓冲态代理卫星的传输层收到数据包后只复制数据包并将复制的数据包储存而不应答数据包；3.2)缓冲态代理卫星的传输层将收到的原数据包发向目的端；3.3)缓冲态代理卫星的传输层收到目的端反馈的ACK(Acknowledge)信号，判断是否结束缓冲态正式启用代理模式，如果对应序列号的数据包在缓冲态代理卫星的传输层已储存且后续数据包序列号连续完整，启动代理模式，缓冲态代理卫星成为代理卫星，反之继续维持缓冲态；4)代理卫星分割端到端连接，同时与源端和目的端进行通信：4.1)源端与代理卫星通信，代理卫星的传输层收到数据包后，代理卫星的传输层将数据包储存到缓存中，如果数据包正确且无丢失，代替目的端发送ACK给源端，源端收到ACK后，增大窗口，继续发送数据；4.2)代理卫星的传输层收到数据包后判断数据包发生错误或丢失后，以背靠背方式发送三个重复的ACK给源端，源端收到后，向代理卫星重传数据包；4.3)代理卫星的传输层检查序列号正确后，代理卫星的传输层向目的端发送数据包，目的端收到数据包后发送ACK给代理卫星，代理卫星的传输层收到目的端的ACK后，删除缓存中序列号小于ACK序列号的数据包，确认这些包目的端已收到；4.4)代理卫星的传输层发送给目的端的数据包被目的端判断丢失后，目的端以背靠背方式发送三个重复的ACK给代理卫星；4.5)代理卫星的传输层收到重复的ACK后，重传数据包，降低发送速率；
5)监测到网络变优，代理卫星根据往返时延和丢包率进行性能增强代理的关闭判断：5.1)代理卫星的传输层与源端通信时计算往返时延和丢包率；5.2)代理卫星的传输层根据往返时延和丢包率计算增益指标；5.3)代理卫星的传输层将增益指标与阈值比较，判断是否关闭代理模式；6)代理卫星进行缓冲关闭代理，代理卫星成为缓冲关闭态代理卫星：6.1)缓冲关闭态代理卫星的传输层收到数据包后不代替应答，将数据包继续向后发送；6.2)缓冲关闭态代理卫星的传输层收到ACK序列号大于缓存中最大的序列号，关闭代理模式，继续监测。3.根据权利要求1所述的方法，卫星系统设计中卫星节点作转发使用时数据包不经过传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱彦，谢泽辉，盛敏，史琰，周笛，白卫岗，李浩然，李建东，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：