TCP协议在卫星通信中应用

1、TCP协议在卫星通信中的应用 王浩TCP协议在卫星通信中的应用 随着空间通信系统的不断发展，卫星通信以其独有的优势逐渐成为internet的重要组成部分，卫星宽带接入技术成为卫星通信系统发展的一个重要趋势。目前应用于地面数据传输控制的TCP/IP协议由于具有使用范围广泛、算法成熟、可移植性好等特点，使得其在与空间数据传输系统的结合应用方面具有独特的优势。TCP协议在卫星通信中的应用主要内容： 一、卫星通信概述 二、TCP/IP协议 三、TCP/IP协议在卫星网中的应用 四、卫星链路特点及对TCP协议性能的影响 五、卫星网络TCP协议研究现状 六、TCP协议在卫星链路中需要改进的功能一、卫星通信

2、概述 自上世纪第一颗通信卫星问世以来，卫星通信以覆盖广、通信距离远、不受地理条件限制、数据传输费用低廉、组网灵活等特点，在全球数据通信领域发挥着重要的作用。 卫星通信作为数据通信网络的重要形式，传统上是作为“通信子网”，即只支持网络层以下的功能，是数据包传输的透明通道。为更有效地提供数据传输业务，减少与其他网络协议的接口转换，TCP/IP在卫星通信网中的应用已受到关注。 我们将讨论TCP/IP协议在卫星通信网中应用产生的问题和相应的解决办法，我们也认为TCP/IP协议在卫星通信网中的应用是完全可行的，通过对一些TCP/IP协议工作模式和参数的调整，能实现卫星通信网对TCP/IP协议和其他基于T

3、CP/IP协议的数据传输业务的高效、可靠的支持。二、TCP/IP协议 如下图所示，TCP/IP协议是一个包含了主要的网络层功能，全部传输层功能和一部分会话层功能的协议集。二、TCP/IP协议TCP/IP的主要功能： （1）IP层协议，它实现网络层的寻址、路由和转接功能，将数据报文从源数据设备转发到目的设备，只面对独立报文，不面向联接，它支持报文的分解与重组，不保证报文传输的可靠和报文间的先后次序； （2）TCP层协议，它实现源数据设备和目的数据设备间的可靠的数据块传送，支持数据拆、打包（PAD）、差错控制（检错纠错）、顺序控制、流量与拥塞控制等。三、TCP/IP协议在卫星网中的应用 由于卫星通

4、信是经过天上卫星转发器这一固有的特点，卫星通信网基本上有两种网络结构：星状网和网状网。这样的网络结构相对于地面的数据网络来说要简单的多，因此，路由选择、拥塞控制、多路径传输冲突等网络层协议控制的主要功能在卫星网中都没有真正的体现，而这些正是IP协议的强项，所以很少有卫星通信网使用复杂的IP协议来实现网络层功能。三、TCP/IP协议在卫星网中的应用 正如IP over ATM（异步传输模式），IP over Frame Relay（帧中继）等IP应用环境一样，卫星通信网支持IP协议的最简单方式也是IP over SatNet。这里，SatNet是卫星网内部网络层以下各层数据传输协议组成的协议栈，

5、通常会有一个能完成卫星网内数据包目的寻址和路由转接的网络层。在一些使用DAMA（按需分配多址）等频道资源复用技术的卫星网中，还需要有一个动态分配资源的介质访问层（MAC）。这两部分统一称为Net/MAC层，建立于其下层提供的数据链路层服务之上。三、TCP/IP协议在卫星网中的应用 在很多情况下，如在一个网格状卫星网中，卫星链路的建立便确定了数据链路的唯一路程，既没有寻址路由的要求，也不需要资源配置。这时可以取消Net/MAC层。这时IP是“透明”地经过卫星网，没有额外的协议开销。这种情形似乎对TCP/IP协议在卫星网中的应用的必要性提出了挑战。但这种网络形态在卫星网的拓扑结构和数据业务都非常简

6、单，仅限于在严格的“通信子网”的情形下才成立。随着卫星网功能的增强，这一简单的网络形式已不再适用。 TCP/IP协议正是依靠其广泛的软件支持而压倒其他可能在“技术上更好”的通信协议而成为Internet的标准。四、卫星链路特点及对TCP协议性能的影响 卫星信道属于无线信道，它具有较高的信道误码率和较长的信号传播时延。另外，出于成本等因素的考虑，卫星链路带宽采用的是不对称的连接方式。这些都直接影响TCP协议的性能，降低TCP协议对卫星数据传输信道资源的有效利用。四、卫星链路特点及对TCP协议性能的影响1、传播延时长、传播延时长 卫星通信的时延主要由传播时延、星上处理时延和排队时延等组成。其中传输

7、传播时延主要由卫星轨道决定。对于GEO卫星，单向传播时延大约为250280ms，MEO卫星为110150ms，LEO为2025ms。另外，卫星的数量、轨道变化、星间链路路由策略等都会影响到时延的大小。四、卫星链路特点及对TCP协议性能的影响2、高误码率、高误码率 通常在无线通信中，特别是在卫星无线通信中，由于信道衰减、反向多径传播信道或干扰噪声等原因，会造成错误比特的产生，从而导致无线链路的BER会明显高于有线。在一定程度上，前向纠错可以减小无线链路的误码情况，但是仍不能达到地面有线网络BER。如现有的卫星转发器误比特率大约是10-6、最坏情况为10-4。然而，TCP成功传输所需要的 BER是

8、10-8或更低。四、卫星链路特点及对TCP协议性能的影响3、宽带非对称性、宽带非对称性 通常，地面网络信道是相当对称的，也就是连接的前向信道和发向信道的信道容量大致相等。而在卫星链路中则情况不同，在卫星链路中通常反向信道带宽会比前向信道带宽（从卫星到地面）小许多， 通常前向信道带宽与反向信道带宽比值在1000：1。这一不对称性也是符合卫星通信的实际情况的，因为大多数数据都是产生于卫星并传向地面的，而反向信道多用来传输控制命令并不是大数据的传输。 这样做也可以使得星上的接收机设计更经济，节省了宝贵的卫星带宽五、卫星网络TCP协议研究现状 前面已经介绍过，TCP协议是针对低误码率的固定网络而设计的

9、，然而卫星通信网络并不符合这一特征，从而导致TCP 性能的大幅下降。为了克服卫星链路对TCP性能的影响，目前各国学者提出了许多TCP的改进方案，大致可以分为以下三 类： 1、端到端协议改进方案； 2、链路层设计方案； 3、TCP分裂连接方案。五、卫星网络TCP协议研究现状1、端到端协议改进方案、端到端协议改进方案 针对TCP端到端协议的改进方案，具有改动小、对其它层协议影响小的优点，但是性能改进有限。有： 1、拥塞窗口改进方案 2、确认机制的改进方案 3、TCP头部压缩五、卫星网络TCP协议研究现状1、端到端协议改进方案、端到端协议改进方案1.1、拥塞窗口改进方案 在RFC2414中慢启动；算

10、法的初始窗口为1个TCP数据段长度，导致慢启动阶段的消耗时间较长。为了减小慢启动阶段的消耗时间，解决卫星信道传输时延大带来的影响，必须增加慢启动算法中初始的拥塞窗口(cwnd)。 改进的cwnd=Min4MSS，max(2MSS,4380bytes) 其中，MSS为收发双方允许的最大数据报文段长度。采用了改进后的初始拥塞窗口后，更多的数据段能够在第一个数据传输RTT中得到发送，加快拥塞窗口的增长速度。慢启动所需要的时间可缩短为：RTT（log2 WAlog2cwnd），其中WA为接收方的拥塞窗口大小。五、卫星网络TCP协议研究现状1、端到端协议改进方案、端到端协议改进方案1.2、确认机制的改进

11、方案 现有两类确认机制的改进方法，即选择应答算法(SACK)和否定应答算法(NACK)。 在TCP协议的累积确认协议中，每一个窗口数据中仅能确认一个丢失的数据包，在发生大量数据包丢失的情况下，会导致慢启动被激活。而在SACK中，接收端可以通知发送端所有接收成功的数据包序列号，从而使发送端只重发那些确实丢失的数据包，从而避免了多个丢失造成的慢启动，有效地降低了不必要的重传。 NACK出于减少传输数据的目的， 在确认段中指出未正确接收的第一个数据的开始地址和长度，请求发送端重传。五、卫星网络TCP协议研究现状1、端到端协议改进方案、端到端协议改进方案1.3、TCP头部压缩 该方案的思想就是将TCP

12、头信息进行压缩从而提高传输效率。在TCP头部中有许多字段是不变或变化较小的，或者可以从别的途径获得。如源地址和目的地址是不变的，报文长度可以从链路层帧长度中计算出来。因此，TCP报头的压缩是完全可行和有效的。五、卫星网络TCP协议研究现状2、链路层设计方案、链路层设计方案2.1、Snoop技术 Snoop是为解决地面无线网络的最后一跳问题而设计的，地面无线网络与卫星网络有很多相似处，都具有信道恶劣、带宽非对称性，但卫星网络的往返时延较无线网络更大。2.2、可靠链路层协议方案 在卫星TCP中，链路差错率是一个主要考虑的方面。前向纠错(FEC)方案和自动重传(ARQ)协议是两种常用的差错控制方法。

13、五、卫星网络TCP协议研究现状3、分裂连接方案、分裂连接方案 在端到端协议改进方案中，虽然在某些情况下TCP性能能够很好的提高，但即使如此改进后的TCP性能也不能达到地面有线网络中的TCP性能。而且TCP改进后的协议与其他TCP协议可能存在或多或少的兼容性问题。而采用前向纠错技术也不能完全解决问题，复杂度高的编解码方案难以在高信道误码率中实现，其带来的附加开销还会降低通信链路的使用效率。在这种情况下TCP分裂连接就提供了一个有效的解决方法。 常用的两个TCP分裂连接方法是TCP-Spoofing和TCP-Splitting，它们的区别在于TCP-Spoofing保持了TCP端到端连接的完整性；

14、TCP-Splitting则把一个TCP连接分割成多个独立的 TCP连接。五、卫星网络TCP协议研究现状3、分裂连接方案、分裂连接方案3.1、TCP-Splitting方法 TCP-Splitting是将TCP连接完全分开，该方法提供了一个既能充分利用卫星网络协议，又不用修改原有地面网络协议的有效方法。TCP-Splitting的工作原理如图。五、卫星网络TCP协议研究现状3、分裂连接方案、分裂连接方案3.2、TCP-Spoofing TCP-Spoofing的处理过程如图。五、卫星网络TCP协议研究现状3、分裂连接方案、分裂连接方案3.2、TCP-Spoofing TCP-Spoofing处

15、理过程中仍然保持着虚拟的端到端TCP连接，TCP-Spoofing对于源主机和目的主机都是透明的。在网络中的地面网关起到欺骗器(spoofer)的作用，spoofer截取、缓存和确认（如图spoofing ACK）来自源主机的数据，然后再将数据发送到目的主机。 TCP-Spoofing是依靠spoofer网关发送一个spoofing ACK来代替从目的主机发送过来的实际ACK信息，从而消除ACK信息回传消耗的时间，节省了信道资源，提高了TCP/IP性能。但是TCP-Spoofing破坏了TCP端到端的语义性，有可能破坏数据的传输。六、TCP协议在卫星链路中需要改进的功能 TCP协议之所以在空间通信环境下存在诸多问题，关键是缺乏全面的应用于空间链路的传输控制机制。 首先，TCP的错误控制主要是以网络拥塞丢包为中心，而忽略了链路传输错误等其他问题，这在传统网络上是成立的；但在空间通信环境下，链路错误产生的丢包是典型的错误特征，TCP缺乏处理这些错误的能力，因此必须进行如下的改进： 1、提高探测包丢失的能力，特别是对突发丢失的探测。 2、详尽检测丢包性质的能力，基于不同的错误性质采用