一种卫星网络中基于agent的可靠组播传输协议

先，发端发送轮询消息到每个可能的收端，收端收到轮询消
息后回复状态消息。根据收到的状态消息，发端确定最和日
的值。因为卫星网络链路状态经常发生变化，所以只和日的 值也应该及时调整。每个收端计算自己的分组成功接收概率
Ｐ，并将Ｐ和最进行比较：如果Ｐ＞只，则它被选为Ａｇｅｎｔ， 当选的Ａｇｅｎｔ通知发端，由发端将此消息广播到所有收端：
ｍｕｌｔｉｅａ８ｔ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｏＶｅｒ ｓａｔｅｌｌ扯ｅ ｎｅ七ｗｏｒｂ，Ａｌｔｌｌｏｕｇｈ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｍｔｉｃ８ｓｔ ｐｒｏ七ｏｃｏｌｓ ｈａⅣｅ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｕｓｅ ｏｖｅｒ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，ｔｈｅｙ ａｒｅ ｎｏｔ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ｓａｔｅＵｉｔｅ Ｉ璩ｔｗｏｒｋｓ．Ｏｎｅ ｏｆｔｈｅ ｋｅｙ ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ａｆ南ｃｔｅｄ ｗｈｅｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｒｅ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉ８ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ．Ａ ｎｏｖｅｌ Ａｇｅｎｔ·ｂａｓｅｄ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ Ｔｒａｎ８ｐｏｒｔ Ｐｒｏｔｏｃ０１ｓ（ＡＳＭＴＰ）ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｒ ｄａｔａ ｄｉｓｓｅｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｉｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｅｍｐｌｏｙｓ ａｇｅｎｔ ｉｎ ｒｅｃｅｉＶｅｒｓ ｇｒｏｕｐ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｍｕｌｔｉｃａＳｔ ｔｒａｌｌｓｐｏｒｔ ｆｏｒ ｓａ七ｅｌｌｉｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｐａｃｋｅｔ ｌｅＶｅｌ ＦＥＣ ａｎｄ ｌｏｃａｌ ｅｒｒｏｒ ｒｅｃｏＶｅｒｙ ａｒｅ ｌｌｓｅｄ ｔｏ ｒｅｃｏｖｅｒ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ａＩｌｄ ｕｎｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓｅｓ．Ｆｌｏｗ ａｎｄ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ａｒｅ ｄｅｐｌｏｙｅｄ出ｓｏ ｉｎ ＡＳＭＴＰ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｂｙ ｓｉｍｕＩａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ＡＳＭＴＰ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｏｕｔｐｅｒｆｏｒｍ８ ＭＦＴＰ ａｎｄ ａｕｃｈｉｅＶｅ８ ｈｉ酿ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ；Ａｇｅｎｔ；ＲＪｅｌｉａｂｋ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ
特性使得它很适合组播应用。然而目前针对卫星网络的可靠组播服务研究很少，虽然已经有一些关于地面Ｉｎｔｅｒｎｅｔ
组播协议建议，但他们并不适合于卫星网络。在卫星网络组播传输中的一个关键技术是传输协议设计。该文提出
一种基于Ａｇｅｎｔ的宽带卫星网络可靠组播传输协议（ＡＳＭＴＰ）。该协议利用接收端Ａｇｅｎｔ来实现卫星组播，采用分 组级ＦＥＣ和本地差错恢复纠正传播中的非相关错误和相关错误。在ＡＳＭＴＰ中，还实现了流量控制和拥塞控制机
Ａｎ Ａｇｅｎｔ－ｂａｓｅｄ Ｒｅｌｉａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｎａｎｓｐｏｒｔ ＰｒｏｔｏｃｏＩ
ｆｏｒ ＳａｔｅⅡｈｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ
Ｘｕ ＨｕｉⅥｈ Ｓｈｉ—ａｉ
（‰妇ｅｒｓ咖吖剧ｅｃ￡彻疵ｃ＆沈札ｃｅ ｏ佗ｄ乳ｃ＾礼Ｄｆ叼可ｏ，吼ｉｎｏ，仇ｅｎ９抛６１００５４，吼伽ｎ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａ ｗｉｄｅ Ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｎｅｅｄ ｔｏ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ ｉｎｆｂｒＩｎａｔｉｏｎ ｔｏ ａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ ｌａｒｇｅ ｎｌｌｍｂｅｒ ｏｆ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｓｉｔｅｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｄｉ８ｐｅｒ８ｅｄ ｆｒｏｍ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ．Ｃｏｍｍｍｌｉｃａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ８ ａｒｅ ａ ｎａｔｕｒａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｏｎ ａｎｄ ａｒｅ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｗｅＵ ｓｕｉｔｅｄ ｆｏｒ ｃａｒｒ姐ｎｇ ｓｕｃｈ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｂｅｃａｕ８ｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｈａｎｎｅｌ．Ｄｅｓｐｉｔｅ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉ日＿ｌ ｏｆ ｓａｔｅｎｉｔｅ ｍｕｌｔｉｃａｓｔ，ｔｈｅｒｅ ｅｘｉ８ｔｓ Ｕｔｔｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｒｅｌｉａｂｌｅ
万方数据
１６８
电子与信息学报
第２９卷
ＮＡＫ为５６ ｂｙｔｅ。 ３．１系统吞吐量分析
组播文件传输协议（ＭＦＴＰ）是一种采用卫星上行链路作 为反馈链路的组播传输协议。图２显示了在不同接收端用户
情况下，ＡＳＭＴＰ和ＭＦＴＰ的吞吐量和链路误码率的关系曲 线。
可以看到，ＡＳＭＴＰ的吞吐量性能要高于ＭＦＴＰ，特别 是在链路误码率较高的情况下。主要原因是ＡＳＭＴＰ采用木 地差错恢复和分组级ＦＥＣ，可以更及时恢复分组丢失。同时，
目前提出的大量的可靠组播传输协议都是应用在地面 有线网络中。这些协议可分为两大类：发送端初始化协议 （８ｅｎｄｅｒ—ｉｎｉｔｉａｔｅｄ＾采用肯定应答（ＡＣＫ）；接收端初始化协 议（ｒｅｃｅｉｖｅｒ－ｉｎｉｔｉａｔｅｄ），采用否定应答（ＮＡＫ）。
卫星网络具有高链路误码率，长传播时延，上下行链路 不对称等特点，这使得卫星组播明显不同于地面有线链路组 播。在卫星通信中，针对可靠组播传输协议的研究还很少。 本文提出一种基于Ａｇｅｎｔ的卫星网络可靠组播传输协议 （ＡＳＭＴＰ）。这是一种接收端初始化的协议。在一个组播组中，
２００５．０５．２３收到。２００６．０１．２７改回 国家自然科学基金（６０３７２０１３）资助课题
以是ｂｅｓｔ ｅｆｆｏｒｔ（尽力而为）或者ｒｅｌｉａｂｌｅ（可靠的），ｂｅｓｔ ｅｆｆｏｒｔ 不保证组播源传输的数据准确到达接收端，一般采用发送 ＵＤＰ包到组播接收地址：ｒｅｌｉａｂｌｅ组播要求所有的组播接收 成员能够接收到所有的组播数据，这就要求采用可靠的传输 协议。
如果同时有几个收端Ｐ＞只，则具有最大Ｐ的收端成为
Ａｇｅｎｔ。
（３）在组播进程中，如果Ａｇｅｎｔ的概率Ｐ＜昂，说明新 的Ａｇｅｎｔ应当产生，于是重复步骤（２），产生新的Ａｇｅｎｔ。
（４）在一个组播组中，如果所有收端概率Ｐ＜晶，说明 链路状态恶化，状态信息发送回发端，发端根据状态信息调
整Ｅ和异的值。
通过以上步骤，一个Ａｇｅｎｔ可以产生。 （５）在一个组播组中，如果所有的收端概率Ｐ＜异，说 明可能是网络拥塞或者链路衰落（如雨衰）。如果发端可以收 到状态信息（可以是任意一个收端发出的），可以认为是网络 拥塞，则发端根据拥塞控制策略（如ＴＣＰ一１ｉｋｅ）调整它的发送 速率；如果发端无法收到任何状态信息，说明发生了链路衰 落，则发端保持目前的发送速率，同时以一定的时间间隔持 续的发送轮询消息，直到从收端收到反馈消息，然后以原来 的速率继续组播传输。 ２．２丢失检测和反馈 为了保证可靠性，协议需要能够指示没有正确到达指定 目的地址的分组。丢失分组在收端被检测，丢失消息通过反 馈链路发送到发端请求重传。在ＡＳＭＴＰ巾，ＮＡＫ被用于 指示分组丢失。为了避免ｆｅｅｄｂｆａｃｋ ｉｍｐｌｏｓｉｏｌｌ，Ａｇｅｎｔ汇总反 馈信息。卫星上行链路被多个收端共享，如果同时有超过一 个的Ａｇｅｎ￡发送反馈消息，就会发生碰撞，引起信息丢失。 ＡＳＭＴＰ在反向链路采用轮询（ｒｏｕＩｌｄ ｒｏｂｉｎ）ＴＤＭＡ方式避免 反馈信息的碰撞丢失。当一个收端发送ＮＡＫ到Ａｇｅｎｔ，一 个ＮＡＫ定时器同时启动。ＮＡＫ消息不会立即发送回发端， 而是存储在Ａｇｅｎｔ的缓存队列中一段时间，在ＮＡＫ定时器 的周期内，如果Ａｇｅｎｔ没有收到相同的ＮＡＫ，说明丢失分 组已经在本地恢复，则ＮＡＫ从缓存中丢弃，ＮＡＫ定时器复 位；否则，Ａｇｅｎｔ将汇总后的ＮＡＫ发送回源端请求重传。 ２．３分组恢复 在卫星组播传输中，有两种类型分组丢失：相关丢失和 非相关丢失。本地恢复方法只对相关丢失有效。ＦＥＣ技术是 一种在数据通信中广泛应用的差错恢复手段。分组级ＦＥＣ 通过对原始组播数据进行编码，加入冗余（校验）数据，可以 有效地恢复非相关丢失。 在ＡＳＭＴＰ中，本地差错恢复方案和分组级ＦＥＣ同时 被采用，以对抗相关丢失和非相关丢失。在每个组的Ａｇｅｎｔ 缓存中保存有大量发端来的分组用于本地恢复。当一个组成 员没有正确接收到分组，就发送ＮＡＫ到本组的Ａｇｅｎｔ：如 果丢失的分组在Ａｇｅｎｔ缓存中，Ａｇｅｎｔ立即重传丢失的分组： 如果不在，Ａｇｅｎｔ首先把ＮＡＫ消息组播发送到本组的所有 成员，任何一个成员缓存中如果有相应的分组，该成员就将 分组单播发送到Ａｇｅｎｔ：如果ＮＡＫ定时器超时，Ａｇｅｎｔ就 发送ＮＡＫ到卫星，然后发端将分组组播发送到所有成员。
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图１卫星网络的系统结构
２．１选择Ａｇｅｎｔ
（１）任何成员都可以通过反向链路发送请求消息到卫星 来启动一个组播进程，这个成员就成为初始Ａｇｅｎｔ，并从发 端获得一个组ＩＤ，用于接下来的数据传输。
（２）当成员加入或者离开组播组的时候，相应的Ａｇｅｎｔ 可以重新选择产生。一个Ａｇｅｎｔ的产生根据两个概率：只和 曰确定。这两个概率的值在组播传输开始前由发端确定。首
我们的设计目标是保证数据传输可靠性，同时提供较高 的系统吞吐量并维持网络可扩展性。本文的其余部分内容组 织如下：第２节描述了ＡＳＭＴＰ协议的实现细节；第３节给 出仿真结果和性能分析；最后是总结和下一步的工作。 ２ 协议描述
本文考虑采用图１中的卫星系统结构，发送者通过网关 发送分组到卫星，然后卫星将分组组播发送到所有接收者， 接收者利用卫星上行链路作为反向链路到发送者。
万方数据
第１期
许辉等：一种卫星网络巾基于Ａｇｅｎｔ的可靠组播传输协议
１６７
一个成员被选为Ａｇｅｎｔ。本组巾的其他成员发送ＮＡＫ消息 到Ａｇｅｎｔ，Ａｇｅｎｔ汇总ＮＡＫ消息并存储到缓存中，一段时 间之后发送回组播源。Ａｇｅｎｔ提供缓存队列，存储源端来的 分组，用于数据丢失后的本地恢复。Ａｇｅｎｔ还负责监视网络 状态，同时周期性地发送状态信息到发送端：基于这砦状态 信息，发送端调整数据发送速率，避免发生网络拥塞。反向 链路采用卫星上行信道。