TCP協(xié)議在衛(wèi)星通信中應(yīng)用

1、TCP協(xié)議在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用 王浩TCP協(xié)議在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用 隨著空間通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)逐漸成為internet的重要組成部分，衛(wèi)星寬帶接入技術(shù)成為衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。目前應(yīng)用于地面數(shù)據(jù)傳輸控制的TCP/IP協(xié)議由于具有使用范圍廣泛、算法成熟、可移植性好等特點(diǎn)，使得其在與空間數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。TCP協(xié)議在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用主要內(nèi)容： 一、衛(wèi)星通信概述 二、TCP/IP協(xié)議 三、TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)中的應(yīng)用 四、衛(wèi)星鏈路特點(diǎn)及對(duì)TCP協(xié)議性能的影響 五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀 六、TCP協(xié)議在衛(wèi)星鏈路中需要改進(jìn)的功能一、衛(wèi)星通信

2、概述 自上世紀(jì)第一顆通信衛(wèi)星問世以來，衛(wèi)星通信以覆蓋廣、通信距離遠(yuǎn)、不受地理?xiàng)l件限制、數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用低廉、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，在全球數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。 衛(wèi)星通信作為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的重要形式，傳統(tǒng)上是作為“通信子網(wǎng)”，即只支持網(wǎng)絡(luò)層以下的功能，是數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐该魍ǖ?。為更有效地提供?shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，減少與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的接口轉(zhuǎn)換，TCP/IP在衛(wèi)星通信網(wǎng)中的應(yīng)用已受到關(guān)注。 我們將討論TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星通信網(wǎng)中應(yīng)用產(chǎn)生的問題和相應(yīng)的解決辦法，我們也認(rèn)為TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星通信網(wǎng)中的應(yīng)用是完全可行的，通過對(duì)一些TCP/IP協(xié)議工作模式和參數(shù)的調(diào)整，能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信網(wǎng)對(duì)TCP/IP協(xié)議和其他基于T

3、CP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的高效、可靠的支持。二、TCP/IP協(xié)議 如下圖所示，TCP/IP協(xié)議是一個(gè)包含了主要的網(wǎng)絡(luò)層功能，全部傳輸層功能和一部分會(huì)話層功能的協(xié)議集。二、TCP/IP協(xié)議TCP/IP的主要功能： （1）IP層協(xié)議，它實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的尋址、路由和轉(zhuǎn)接功能，將數(shù)據(jù)報(bào)文從源數(shù)據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到目的設(shè)備，只面對(duì)獨(dú)立報(bào)文，不面向聯(lián)接，它支持報(bào)文的分解與重組，不保證報(bào)文傳輸?shù)目煽亢蛨?bào)文間的先后次序； （2）TCP層協(xié)議，它實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)設(shè)備和目的數(shù)據(jù)設(shè)備間的可靠的數(shù)據(jù)塊傳送，支持?jǐn)?shù)據(jù)拆、打包（PAD）、差錯(cuò)控制（檢錯(cuò)糾錯(cuò)）、順序控制、流量與擁塞控制等。三、TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)中的應(yīng)用 由于衛(wèi)星通

4、信是經(jīng)過天上衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器這一固有的特點(diǎn)，衛(wèi)星通信網(wǎng)基本上有兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)于地面的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來說要簡單的多，因此，路由選擇、擁塞控制、多路徑傳輸沖突等網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議控制的主要功能在衛(wèi)星網(wǎng)中都沒有真正的體現(xiàn)，而這些正是IP協(xié)議的強(qiáng)項(xiàng)，所以很少有衛(wèi)星通信網(wǎng)使用復(fù)雜的IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層功能。三、TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)中的應(yīng)用 正如IP over ATM（異步傳輸模式），IP over Frame Relay（幀中繼）等IP應(yīng)用環(huán)境一樣，衛(wèi)星通信網(wǎng)支持IP協(xié)議的最簡單方式也是IP over SatNet。這里，SatNet是衛(wèi)星網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)層以下各層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議組成的協(xié)議棧，

5、通常會(huì)有一個(gè)能完成衛(wèi)星網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)包目的尋址和路由轉(zhuǎn)接的網(wǎng)絡(luò)層。在一些使用DAMA（按需分配多址）等頻道資源復(fù)用技術(shù)的衛(wèi)星網(wǎng)中，還需要有一個(gè)動(dòng)態(tài)分配資源的介質(zhì)訪問層（MAC）。這兩部分統(tǒng)一稱為Net/MAC層，建立于其下層提供的數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)之上。三、TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)中的應(yīng)用 在很多情況下，如在一個(gè)網(wǎng)格狀衛(wèi)星網(wǎng)中，衛(wèi)星鏈路的建立便確定了數(shù)據(jù)鏈路的唯一路程，既沒有尋址路由的要求，也不需要資源配置。這時(shí)可以取消Net/MAC層。這時(shí)IP是“透明”地經(jīng)過衛(wèi)星網(wǎng)，沒有額外的協(xié)議開銷。這種情形似乎對(duì)TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)中的應(yīng)用的必要性提出了挑戰(zhàn)。但這種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)在衛(wèi)星網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都非常簡

6、單，僅限于在嚴(yán)格的“通信子網(wǎng)”的情形下才成立。隨著衛(wèi)星網(wǎng)功能的增強(qiáng)，這一簡單的網(wǎng)絡(luò)形式已不再適用。 TCP/IP協(xié)議正是依靠其廣泛的軟件支持而壓倒其他可能在“技術(shù)上更好”的通信協(xié)議而成為Internet的標(biāo)準(zhǔn)。四、衛(wèi)星鏈路特點(diǎn)及對(duì)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(hào)傳播時(shí)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(duì)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(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸信道資源的有效利用。四、衛(wèi)星鏈路特點(diǎn)及對(duì)TCP協(xié)議性能的影響1、傳播延時(shí)長、傳播延時(shí)長 衛(wèi)星通信的時(shí)延主要由傳播時(shí)延、星上處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延等組成。其中傳輸

7、傳播時(shí)延主要由衛(wèi)星軌道決定。對(duì)于GEO衛(wèi)星，單向傳播時(shí)延大約為250280ms，MEO衛(wèi)星為110150ms，LEO為2025ms。另外，衛(wèi)星的數(shù)量、軌道變化、星間鏈路路由策略等都會(huì)影響到時(shí)延的大小。四、衛(wèi)星鏈路特點(diǎn)及對(duì)TCP協(xié)議性能的影響2、高誤碼率、高誤碼率 通常在無線通信中，特別是在衛(wèi)星無線通信中，由于信道衰減、反向多徑傳播信道或干擾噪聲等原因，會(huì)造成錯(cuò)誤比特的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致無線鏈路的BER會(huì)明顯高于有線。在一定程度上，前向糾錯(cuò)可以減小無線鏈路的誤碼情況，但是仍不能達(dá)到地面有線網(wǎng)絡(luò)BER。如現(xiàn)有的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器誤比特率大約是10-6、最壞情況為10-4。然而，TCP成功傳輸所需要的 BER是

8、10-8或更低。四、衛(wèi)星鏈路特點(diǎn)及對(duì)TCP協(xié)議性能的影響3、寬帶非對(duì)稱性、寬帶非對(duì)稱性 通常，地面網(wǎng)絡(luò)信道是相當(dāng)對(duì)稱的，也就是連接的前向信道和發(fā)向信道的信道容量大致相等。而在衛(wèi)星鏈路中則情況不同，在衛(wèi)星鏈路中通常反向信道帶寬會(huì)比前向信道帶寬（從衛(wèi)星到地面）小許多， 通常前向信道帶寬與反向信道帶寬比值在1000：1。這一不對(duì)稱性也是符合衛(wèi)星通信的實(shí)際情況的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)都是產(chǎn)生于衛(wèi)星并傳向地面的，而反向信道多用來傳輸控制命令并不是大數(shù)據(jù)的傳輸。 這樣做也可以使得星上的接收機(jī)設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)，節(jié)省了寶貴的衛(wèi)星帶寬五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀 前面已經(jīng)介紹過，TCP協(xié)議是針對(duì)低誤碼率的固定網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的

9、，然而衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)并不符合這一特征，從而導(dǎo)致TCP 性能的大幅下降。為了克服衛(wèi)星鏈路對(duì)TCP性能的影響，目前各國學(xué)者提出了許多TCP的改進(jìn)方案，大致可以分為以下三 類： 1、端到端協(xié)議改進(jìn)方案； 2、鏈路層設(shè)計(jì)方案； 3、TCP分裂連接方案。五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀1、端到端協(xié)議改進(jìn)方案、端到端協(xié)議改進(jìn)方案 針對(duì)TCP端到端協(xié)議的改進(jìn)方案，具有改動(dòng)小、對(duì)其它層協(xié)議影響小的優(yōu)點(diǎn)，但是性能改進(jìn)有限。有： 1、擁塞窗口改進(jìn)方案 2、確認(rèn)機(jī)制的改進(jìn)方案 3、TCP頭部壓縮五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀1、端到端協(xié)議改進(jìn)方案、端到端協(xié)議改進(jìn)方案1.1、擁塞窗口改進(jìn)方案 在RFC2414中慢啟動(dòng)；算

10、法的初始窗口為1個(gè)TCP數(shù)據(jù)段長度，導(dǎo)致慢啟動(dòng)階段的消耗時(shí)間較長。為了減小慢啟動(dòng)階段的消耗時(shí)間，解決衛(wèi)星信道傳輸時(shí)延大帶來的影響，必須增加慢啟動(dòng)算法中初始的擁塞窗口(cwnd)。 改進(jìn)的cwnd=Min4MSS，max(2MSS,4380bytes) 其中，MSS為收發(fā)雙方允許的最大數(shù)據(jù)報(bào)文段長度。采用了改進(jìn)后的初始擁塞窗口后，更多的數(shù)據(jù)段能夠在第一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸RTT中得到發(fā)送，加快擁塞窗口的增長速度。慢啟動(dòng)所需要的時(shí)間可縮短為：RTT（log2 WAlog2cwnd），其中WA為接收方的擁塞窗口大小。五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀1、端到端協(xié)議改進(jìn)方案、端到端協(xié)議改進(jìn)方案1.2、確認(rèn)機(jī)制的改進(jìn)

11、方案 現(xiàn)有兩類確認(rèn)機(jī)制的改進(jìn)方法，即選擇應(yīng)答算法(SACK)和否定應(yīng)答算法(NACK)。 在TCP協(xié)議的累積確認(rèn)協(xié)議中，每一個(gè)窗口數(shù)據(jù)中僅能確認(rèn)一個(gè)丟失的數(shù)據(jù)包，在發(fā)生大量數(shù)據(jù)包丟失的情況下，會(huì)導(dǎo)致慢啟動(dòng)被激活。而在SACK中，接收端可以通知發(fā)送端所有接收成功的數(shù)據(jù)包序列號(hào)，從而使發(fā)送端只重發(fā)那些確實(shí)丟失的數(shù)據(jù)包，從而避免了多個(gè)丟失造成的慢啟動(dòng)，有效地降低了不必要的重傳。 NACK出于減少傳輸數(shù)據(jù)的目的， 在確認(rèn)段中指出未正確接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)的開始地址和長度，請(qǐng)求發(fā)送端重傳。五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀1、端到端協(xié)議改進(jìn)方案、端到端協(xié)議改進(jìn)方案1.3、TCP頭部壓縮 該方案的思想就是將TCP

12、頭信息進(jìn)行壓縮從而提高傳輸效率。在TCP頭部中有許多字段是不變或變化較小的，或者可以從別的途徑獲得。如源地址和目的地址是不變的，報(bào)文長度可以從鏈路層幀長度中計(jì)算出來。因此，TCP報(bào)頭的壓縮是完全可行和有效的。五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀2、鏈路層設(shè)計(jì)方案、鏈路層設(shè)計(jì)方案2.1、Snoop技術(shù) Snoop是為解決地面無線網(wǎng)絡(luò)的最后一跳問題而設(shè)計(jì)的，地面無線網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有很多相似處，都具有信道惡劣、帶寬非對(duì)稱性，但衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的往返時(shí)延較無線網(wǎng)絡(luò)更大。2.2、可靠鏈路層協(xié)議方案 在衛(wèi)星TCP中，鏈路差錯(cuò)率是一個(gè)主要考慮的方面。前向糾錯(cuò)(FEC)方案和自動(dòng)重傳(ARQ)協(xié)議是兩種常用的差錯(cuò)控制方法。

13、五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀3、分裂連接方案、分裂連接方案 在端到端協(xié)議改進(jìn)方案中，雖然在某些情況下TCP性能能夠很好的提高，但即使如此改進(jìn)后的TCP性能也不能達(dá)到地面有線網(wǎng)絡(luò)中的TCP性能。而且TCP改進(jìn)后的協(xié)議與其他TCP協(xié)議可能存在或多或少的兼容性問題。而采用前向糾錯(cuò)技術(shù)也不能完全解決問題，復(fù)雜度高的編解碼方案難以在高信道誤碼率中實(shí)現(xiàn)，其帶來的附加開銷還會(huì)降低通信鏈路的使用效率。在這種情況下TCP分裂連接就提供了一個(gè)有效的解決方法。 常用的兩個(gè)TCP分裂連接方法是TCP-Spoofing和TCP-Splitting，它們的區(qū)別在于TCP-Spoofing保持了TCP端到端連接的完整性；

14、TCP-Splitting則把一個(gè)TCP連接分割成多個(gè)獨(dú)立的 TCP連接。五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀3、分裂連接方案、分裂連接方案3.1、TCP-Splitting方法 TCP-Splitting是將TCP連接完全分開，該方法提供了一個(gè)既能充分利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，又不用修改原有地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的有效方法。TCP-Splitting的工作原理如圖。五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀3、分裂連接方案、分裂連接方案3.2、TCP-Spoofing TCP-Spoofing的處理過程如圖。五、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議研究現(xiàn)狀3、分裂連接方案、分裂連接方案3.2、TCP-Spoofing TCP-Spoofing處

15、理過程中仍然保持著虛擬的端到端TCP連接，TCP-Spoofing對(duì)于源主機(jī)和目的主機(jī)都是透明的。在網(wǎng)絡(luò)中的地面網(wǎng)關(guān)起到欺騙器(spoofer)的作用，spoofer截取、緩存和確認(rèn)（如圖spoofing ACK）來自源主機(jī)的數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的主機(jī)。 TCP-Spoofing是依靠spoofer網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個(gè)spoofing ACK來代替從目的主機(jī)發(fā)送過來的實(shí)際ACK信息，從而消除ACK信息回傳消耗的時(shí)間，節(jié)省了信道資源，提高了TCP/IP性能。但是TCP-Spoofing破壞了TCP端到端的語義性，有可能破壞數(shù)據(jù)的傳輸。六、TCP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(jī)制。 首先，TCP的錯(cuò)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(cuò)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(cuò)誤產(chǎn)生的丟包是典型的錯(cuò)誤特征，TCP缺乏處理這些錯(cuò)誤的能力，因此必須進(jìn)行如下的改進(jìn)： 1、提高探測(cè)包丟失的能力，特別是對(duì)突發(fā)丟失的探測(cè)。 2、詳盡檢測(cè)丟包性質(zhì)的能力，基于不同的錯(cuò)誤性質(zhì)采用