空間通信與導(dǎo)航 報告

1、TCP協(xié)議在空間通信中的應(yīng)用研究 姓名：姓名： 學(xué)號：學(xué)號： 目錄 1 綜述 2 TCP協(xié)議 3 改進(jìn)的TCP協(xié)議 4 仿真及結(jié)論 綜述綜述 衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電 波，在兩個或多個地球站之間進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由空間分系統(tǒng)空間分系統(tǒng)、通信地球站通信地球站、跟蹤遙測及指令分跟蹤遙測及指令分 系統(tǒng)系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四部分組成。其中跟蹤遙測及指令分系統(tǒng) 負(fù)責(zé)對衛(wèi)星的軌道、位置及姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和校正；監(jiān)控分系統(tǒng)負(fù)責(zé) 對衛(wèi)星的性能及參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。 衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述 為了滿足全球因特網(wǎng)數(shù)據(jù)傳

2、輸?shù)男枨螅l(wèi)星通信已經(jīng)朝著寬帶因特網(wǎng)接入 服務(wù)方向發(fā)展。結(jié)合衛(wèi)星通信的自身特點，與地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星寬帶因 特網(wǎng)特點鮮明，主要體現(xiàn)在：能夠快速組網(wǎng)，短時間內(nèi)可實現(xiàn)全球范圍內(nèi) 的終端用戶接入；以廣播方式工作，具有大面積覆蓋能力，通信靈活機動， 適合多媒體業(yè)務(wù)的廣播和組播業(yè)務(wù)；通信距離遠(yuǎn)，工作頻段寬，通信容量 大，可承載多種業(yè)務(wù)傳輸；傳輸能力強，數(shù)據(jù)傳輸量大，業(yè)務(wù)費用低廉。 衛(wèi)星通信系統(tǒng)與 Internet 結(jié)合將會使得空地之間以 IP 為通信平臺， 形成空地合一的高速因特網(wǎng)。 衛(wèi)星與衛(wèi)星與 Internet 融合融合 面臨的問題面臨的問題 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于傳輸距離遠(yuǎn)（赤道靜止軌道衛(wèi)星距離地球 358

3、60km）、傳輸 環(huán)境多變的特點（環(huán)境干擾、星體阻擋、雨衰、空間復(fù)雜電磁環(huán)境），在 實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中表現(xiàn)出數(shù)據(jù)傳輸延遲大，信道誤碼率高等特點。同 時從衛(wèi)星發(fā)射負(fù)荷能力和傳輸設(shè)備經(jīng)濟(jì)性考慮，要求衛(wèi)星星體小巧輕便， 因此可搭載的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備有限，導(dǎo)致衛(wèi)星傳輸上下行鏈路帶寬不對稱。 將 TCP 直接應(yīng)用于空間環(huán)境卻不能表現(xiàn)出良好的數(shù)據(jù)傳輸性能，其中最 主要的就是 TCP 在差錯控制、擁塞控制和數(shù)據(jù)傳輸控制方面的原因。所 以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議面臨兩種選擇：一是在地面通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行修 改，使其適合空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；二是根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的各種約束條件，重新設(shè) 計新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 TCP協(xié)議 TCP協(xié)議 TC

4、P/IP 協(xié)議族開始于 60年代，到了 90 年代就已經(jīng)發(fā)展成為使用最為廣泛的計 算機互聯(lián)協(xié)議。TCP/IP 協(xié)議族主要分為兩個部分，即 TCP 協(xié)議和 IP 協(xié)議。從 協(xié)議層次上講，IP 協(xié)議位于網(wǎng)絡(luò)層中，它為各種高層協(xié)議提供了一個通用平臺。 高層協(xié)議和應(yīng)用程序只需做好與 IP 的“溝通”，不必關(guān)心底層協(xié)議和鏈路接口， 就可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)和終端的廣泛互聯(lián)。IP 具有簡單、靈活優(yōu)點的同時也有不 足之處：不提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量保證，也就是通常所說的“盡力而為”的服務(wù)。 設(shè)計 TCP 協(xié)議的目的就是為了彌補 IP 在這方面的不足，解決數(shù)據(jù)傳輸不可靠 的問題。TCP 協(xié)議位于傳輸控制層，它以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)特

5、性為目標(biāo)，提供可靠、面 向連接的服務(wù)。 TCP 協(xié)議在發(fā)展的過程中經(jīng)歷了幾次改動，形成了幾種不同的協(xié)議版本，但 各個版本的 TCP 協(xié)議都包含了連接管理連接管理、差錯控制差錯控制、流量控制和擁塞控制機流量控制和擁塞控制機 制制等。 衛(wèi)星鏈路特點及對 TCP 協(xié)議性能的影響 衛(wèi)星信道屬于無線信道，它具有較高的信道誤碼率和較長的信號傳播時延。另外， 出于成本等因素的考慮，衛(wèi)星鏈路帶寬采用的是不對稱的連接方式。這些都直接影 響TCP協(xié)議的性能，降低TCP協(xié)議對衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸信道資源的有效利用。 地面網(wǎng)絡(luò)的 往返時延 RTT 在幾個到幾十個毫秒內(nèi)，衛(wèi)星信道的傳播延時則大的多， 其傳播延時大約為 2402

6、50ms，往返時延 RTT 達(dá)到 480ms500ms 之間，行星之 間的傳播時延還要更長。長傳播時延會嚴(yán)重影響 TCP 的性能。 同時，長傳播延時在 TCP 檢測和恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)操作上影響很大。丟失數(shù)據(jù)的 恢復(fù)是通過重傳完成的，而重傳是建立在對丟失數(shù)據(jù)的檢測上。 長傳播延時：長傳播延時： 通常在無線通信尤其在空間衛(wèi)星通信環(huán)境下，信道噪聲主要為加性高 斯白噪聲，隨機誤碼為主要表現(xiàn)形式，誤碼率在 10-410-7，前向誤碼 修正可在一定程度上糾正誤碼，但對衛(wèi)星通信這樣的高誤碼率情況是無 能為力的。另外，衛(wèi)星信道還受天氣氣候影響，當(dāng)天氣情況惡化時，信 道誤碼率還會更大。 高信道誤碼率 衛(wèi)星鏈路特點及

7、對 TCP 協(xié)議性能的影響 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議研究現(xiàn)狀 針對目前 TCP 協(xié)議在空間通信中出現(xiàn)的種種弊端，如何改進(jìn)地面數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以使 之適應(yīng)空間通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求，一直是人們廣泛關(guān)注和研究的熱點。各種科研機構(gòu)和 工作組制定了多個 RFC 文檔，而且提出了很多改進(jìn)方案。這些改進(jìn)方案主要分為幾 個方面：1、TCP 協(xié)議修改方案；2、其他協(xié)議層修改方案；3、代理方案。 幾種TCP 協(xié)議修改方案：鏈路層解決方案、端到端解決方案，TCP連接分割方案。 在鏈路層解決方案鏈路層解決方案中，采用 TCP 確認(rèn)去觸發(fā)鏈路重傳，并抑制確認(rèn)傳送到 TCP 發(fā)送端，因此能很好的將鏈路層丟失掩蓋起來，使 TCP 發(fā)送

8、端不會降低其擁塞窗 口，但仍然需要訪問 TCP 頭從而得到包序列號和確認(rèn)號。如果基站保持確認(rèn)在端 到端之間進(jìn)行傳送，那么衛(wèi)星長時延傳播就會產(chǎn)生不公平問題。 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議研究現(xiàn)狀 在端到端解決方案端到端解決方案中，每種方案只是根據(jù)衛(wèi)星鏈路傳輸特點的一部分進(jìn)行考慮，如 大的初始窗口，只是改進(jìn)了 TCP 協(xié)議在衛(wèi)星鏈路長時延情況下，慢啟動階段擁塞 窗口增長緩慢的問題，如果在高擁塞情況下，大的初始窗口有可能會增加 TCP 連 接的數(shù)據(jù)包丟失。同樣，字節(jié)計數(shù)和慢啟動后延時確認(rèn)也只是針對衛(wèi)星鏈路距離遠(yuǎn) 時延長的特點，采用加速擁塞窗口增長的方法；在差錯控制方面，沒有采取完備的 差錯控制檢測策略。 T

9、CP 連接分割連接分割采用的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的策略，將地面鏈路和衛(wèi)星鏈路分割開來，在衛(wèi) 星鏈路段采用適合衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，而在另一個協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)管再將數(shù)據(jù)還原為 TCP 數(shù)據(jù)，但這種方法在很大程度上增加了協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜性，對于協(xié)議轉(zhuǎn)化 的開銷很大。 TCP 協(xié)議在衛(wèi)星鏈路中需要改進(jìn)的功能協(xié)議在衛(wèi)星鏈路中需要改進(jìn)的功能 TCP 協(xié)議之所以在空間通信環(huán)境下存在諸多問題，關(guān)鍵是缺乏全面的應(yīng)用于 空間鏈路的傳輸控制機制。 首先，TCP 的錯誤控制主要是以網(wǎng)絡(luò)擁塞丟包為中心，而忽略了鏈路傳輸錯 誤等其他問題，這在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上是成立的；但在空間通信環(huán)境下，鏈路錯誤 產(chǎn)生的丟包是典型的錯誤特征，TCP 缺乏處

10、理這些錯誤的能力。 其次，TCP 在數(shù)據(jù)發(fā)送速率控制方面主要采用慢啟動和擁塞避免策略，采用 緩慢增長數(shù)據(jù)發(fā)送速度用以探測網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的方法，逐步滿負(fù)荷發(fā)揮線路 傳輸性能。這個過程時間長、線路利用率低。我們應(yīng)就如何偵測網(wǎng)絡(luò)實際可 用帶寬，快速有效的在最大帶寬條件下傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，使數(shù)據(jù)發(fā)送在短 時間內(nèi)以信道最大有效帶寬發(fā)送數(shù)據(jù)，提高信道數(shù)據(jù)吞吐量。 改進(jìn)的TCP協(xié)議 SN-TCP協(xié)議的提出 國際上已經(jīng)提出了一些傳輸控制協(xié)議，具有典型代表的是：TCP-Peach、TCP Westwood 和 XCP 等協(xié)議。這些協(xié)議雖然綜合考慮了線路誤碼和網(wǎng)絡(luò)擁塞，與 TCP-Reno 和 TCP-Newren

11、o 相比性能也不同程度提高，但在鏈路隨機誤碼嚴(yán) 重時，或者出現(xiàn)突發(fā)誤碼時，協(xié)議性能明顯降低。另外，這些協(xié)議均未考慮非對 稱衛(wèi)星鏈路的特點，反向鏈路的擁塞也嚴(yán)重影響了協(xié)議的性能。其次，考慮到衛(wèi) 星通信網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境的特殊性，星上設(shè)備設(shè)計簡單，傳輸控制協(xié)議應(yīng)降低對星載 路由、交換設(shè)備的設(shè)計要求。因此，這里我們提出一種改進(jìn)型的端到端的衛(wèi)星網(wǎng) 絡(luò)傳輸控制協(xié)議SN-TCP。 SN-TCP協(xié)議協(xié)議 針對衛(wèi)星鏈路長傳播延時造成的數(shù)據(jù)傳輸增長緩慢的問題，我們提出了改進(jìn)型的 快速啟動（Faster Start）策略。 為了判別數(shù)據(jù)丟失具體情況，我們提出了丟失檢驗（Loss Detect）策略，這樣 SN-TCP

12、協(xié)議能有效識別丟包所在位置等相關(guān)信息和后續(xù)丟包的確認(rèn)。 SN-TCP協(xié)議協(xié)議 N-TCP 協(xié)議總體結(jié)構(gòu)如圖所示： 協(xié)議主要包括 Faster start、Congestion Avoidance、bandwidth detect、Loss Detect 和 Snack Retransmission 等策略。 SN-TCP協(xié)議協(xié)議 改進(jìn)型的快速起始（Faster Start）策略 在發(fā)送端和接收端成功建立連接后，發(fā)送端首先進(jìn)入到 Faster Start 階段。 由于衛(wèi)星鏈路長時延特點，數(shù)據(jù)傳輸時間長，發(fā)送方在發(fā)送一個分組后，需 要等待較長時間（因為衛(wèi)星鏈路 RTT 很大）才能接收到對數(shù)據(jù)的應(yīng)答

13、，根 據(jù)傳統(tǒng)TCP 協(xié)議的慢啟動策略，接收端每收到一個分組就才發(fā)出一個 確認(rèn) 信號ACK。如果接收方采用延遲確認(rèn)機制，發(fā)送方收到 ACK 個數(shù)大約只有 上面的一半，擁塞窗口cwnd 從一個分組到達(dá)通告窗口（awin）所需要的時 間就增大至大約兩倍。可以看出 TCP 所采用的延遲響應(yīng)策略也影響了慢啟 動，減慢了 Cwnd 的增加速度，降低了 TCP 的性能。針對這個問題，我們 采用動態(tài)擴(kuò)大初始動態(tài)擴(kuò)大初始 Cwnd 的方法，增加初始的 Cwnd 的大小，這樣對較短的 數(shù)據(jù)流和低帶寬極為為有利。 如首先使用一個較大的 Cwnd 的初始值 Iw，在發(fā)生超時重傳時才設(shè)置為 1， 這樣就能提高慢啟動時的

14、網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。 以上提出的擴(kuò)大Iw值主要針對慢啟動階段在數(shù)據(jù)開始傳輸時或者檢測出丟失 數(shù)據(jù)重傳時設(shè)置。 丟失判決（Loss Detect）策略 在丟失判決策略中，采用檢測數(shù)據(jù)包在發(fā)送窗口中是否成“洞”的方式判斷數(shù)據(jù)丟 失情況。根據(jù) TCP 包結(jié)構(gòu)，TCP 協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，對每個數(shù)據(jù)包設(shè)定序列 號，協(xié)議每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的同時將下一個數(shù)據(jù)包的序列號增加 1 以標(biāo)注數(shù)據(jù)， 再通過等待相應(yīng)序列號數(shù)據(jù)包應(yīng)答返回的方法判斷數(shù)據(jù)包是否被正確接收，這種 策略保證了數(shù)據(jù)有效可靠的傳輸。 在數(shù)據(jù)接收端，協(xié)議對比接收到的數(shù)據(jù)包與上一個已經(jīng)成功接收的數(shù)據(jù)包的序列號。 接收端在接收到本數(shù)據(jù)包的時候發(fā)送應(yīng)答，將下一

15、期望接收到的數(shù)據(jù)包序列號發(fā) 送給數(shù)據(jù)源端，希望下一時刻數(shù)據(jù)端發(fā)送本數(shù)據(jù)。 如果在發(fā)送過程中，數(shù)據(jù)窗口 的數(shù)據(jù)包發(fā)生丟失，接收端接收到了其他的數(shù)據(jù)，這樣在接收到的數(shù)據(jù)包序列號 與已經(jīng)接收到的最大序列號數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較時，發(fā)現(xiàn)序列號不相符，當(dāng)前數(shù)據(jù)包 并非期望接收到的包，這表明數(shù)據(jù)包丟失，數(shù)據(jù)發(fā)送窗口出現(xiàn)“洞洞”，于是進(jìn)入 差錯控制機制進(jìn)行丟失數(shù)據(jù)。 SN-TCP協(xié)議協(xié)議 l擁塞避免（Congestion Avoidance）策略 l帶寬探測（bandwidth detect）策略 l差錯控制策略 l數(shù)據(jù)包格式設(shè)計 SN-TCP協(xié)議協(xié)議 仿真及結(jié)論 非對稱鏈路仿真非對稱鏈路仿真 由于衛(wèi)星信道帶寬不對

16、稱的特點，我們需要在不對稱信道鏈路拓?fù)渲蟹抡鎱f(xié) 議性能，并進(jìn)行對比。 模型由 4 個節(jié)點組成，n1 為 server 端，通過地面路由 n2 向衛(wèi)星 n3 發(fā)送數(shù) 據(jù)，n2 和 n3 之間采用兩條帶寬不對稱的單向衛(wèi)星鏈路建立數(shù)據(jù)通信連接， 下行鏈路遠(yuǎn)大于上行鏈路 仿真軟件為：NS-2 參數(shù)如表所示： 非對稱鏈路仿真非對稱鏈路仿真 從圖 可以看出，SN-TCP 在相同條件 下，數(shù)據(jù)包發(fā)送量較其他協(xié)議高出50%， 這是由于 SN-TCP 協(xié)議采用了比其他傳統(tǒng) TCP 協(xié)議更為有效的流量控制機制、差錯 控制機制和數(shù)據(jù)重傳機制，確保了鏈路帶寬 得到充分利用。 仿真結(jié)果仿真結(jié)果 在相同的仿真時間內(nèi)，非對稱鏈路上 SN-TCP 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為傳統(tǒng) TCP 的 1.8 倍左右?；?SN-TCP 的詳細(xì)準(zhǔn)確標(biāo)注發(fā)送窗口內(nèi)丟失數(shù)據(jù)包信息的機 制和不依賴于快速重傳算法探測數(shù)據(jù)丟失的算法，降低了 ACK數(shù)據(jù)包發(fā)送的 頻率，發(fā)送端幾乎不能收到重復(fù)的 ACK 包，所以 SN-TCP 每隔一端時間才 發(fā)送一個 ACK 數(shù)據(jù)包，有效的節(jié)約了上行鏈路帶寬資源。 仿真結(jié)果仿真結(jié)果 本文基于現(xiàn)有 TCP 傳輸協(xié)議，研究設(shè)計一種用以改進(jìn)型在空間鏈路上數(shù)據(jù)傳輸性能 的 SN-TCP 協(xié)