SCPS-TP在衛(wèi)星鏈路上的性能測試及改進策略

陳明玉 程子敬

(北京衛(wèi)星信息工程研究所,北京 100086)

1 引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋面廣、可擴展性強、用戶接入方便和不受地域條件限制等優(yōu)點,是地面光纖難以鋪設(shè)或人口稀疏等偏遠地區(qū)進行長距離寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的一種重要補充手段。但是將基于地面互聯(lián)網(wǎng)(Internet)設(shè)計的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Transfer Control Protocol/ Internet Protocol, TCP/IP)用于空間通信,存在長傳播延時、高誤碼率、帶寬不對稱及間歇性連接等情況,鏈路的信息傳輸速率非常低,在1Mbit/s 帶寬時可能只有幾十kbit/s 的速率,遠遠滿足不了越來越大的Internet 海量信息的傳輸,各種加速方法尤其是傳輸層加速技術(shù)的應(yīng)用勢在必行。

目前TCP 協(xié)議傳輸性能的加速方法,主要有改進的TCP 協(xié)議和TCP 加速代理兩大類。前者一般通過改變發(fā)送端或接收端的TCP 協(xié)議參數(shù),如初始啟動窗口大小或擁塞控制策略或確認(rèn)回復(fù)機制等來提升TCP 的性能,有TCP New Reno 協(xié)議、選擇性確認(rèn)TCP SACK(Selective Acknow ledgment)協(xié)議、TCP Vegas 協(xié)議、TCP Veno 協(xié)議、TCP Hybla協(xié)議、TCPW(TCP Westwood)協(xié)議等方法[1-6], 不同程度地提高了鏈路性能;后者一般是設(shè)置性能增強代理網(wǎng)關(guān)(Performance Enhancement Proxy ,PEP),可以采用鏈路分段或協(xié)議欺騙策略。鏈路分段策略使TCP 在地面段與空間段相分離,在地面段使用標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議,而在空間段使用具加速功能的改進型TCP 協(xié)議,如TCP Hybla 協(xié)議等;欺騙策略使得網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)未到達目的端之前偽裝成目的端,提前回復(fù)確認(rèn)消息,從而能使源端提前增大其擁塞窗口而盡快達到較大的值。PEP 方法雖增加了網(wǎng)關(guān)設(shè)計的復(fù)雜性,但可以極大地提高衛(wèi)星IP 網(wǎng)的傳輸性能。PEP 方法的一個典型應(yīng)用是PEPsal 技術(shù),它結(jié)合了鏈路分段和欺騙策略,既保留了源端和目的端的標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議端到端的語義,與網(wǎng)絡(luò)其它終端的協(xié)議兼容,又能達到提高鏈路傳輸速率的目的[7]。

專門針對衛(wèi)星通信環(huán)境而設(shè)計的空間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(Space Communication Protocol Standard,SCPS)協(xié)議簇, 以TCP/IP 協(xié)議棧為模型并基于TCP/IP 協(xié)議,針對空間鏈路往返時延可變、帶寬不對稱和間斷性連接等特點,進行了適當(dāng)?shù)募舨门c擴充,旨在支持保證盡量壓縮成本的空間環(huán)境網(wǎng)絡(luò)通信的可靠傳輸,滿足正在開展的多空間節(jié)點任務(wù)配置對空間網(wǎng)絡(luò)選路的需求以及提供空間網(wǎng)絡(luò)與地面Internet 兼容性[8]。

2 SCPS-T P 協(xié)議理論分析

SCPS 協(xié)議簇最重要的應(yīng)用是空間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-傳輸層協(xié)議(SCPS-TP),它對于衛(wèi)星鏈路特點定制了多項策略,從而使空間通信網(wǎng)絡(luò)端到端數(shù)據(jù)傳輸性能的改善有較大提高。SCPS-TP 協(xié)議支持基于優(yōu)先級的處理,支持無連接多播,支持面向數(shù)據(jù)包的應(yīng)用,通過以擴展選項的形式置于帶有S YN 字段的TCP 報頭可選域的方法得以實現(xiàn),因而保證了SCPS-TP 能與商用TCP 協(xié)議、UDP 協(xié)議兼容[1]。

SCPS-TP 協(xié)議對于衛(wèi)星鏈路的高誤碼率、長傳輸時延、非對稱帶寬和間歇性連接問題分別采取了多種有效措施。在誤碼率方面采取了鏈路降質(zhì)響應(yīng)和選擇性消極確認(rèn)(Selective Negative Acknow ledgment,SNACK)措施;長傳輸時延方面采取了首部壓縮、窗口擴展和定時器修改措施;非對稱性帶寬方面提供了流速控制、降低確認(rèn)(A cknow ledgment,ACK)頻率和首部壓縮措施;在間歇性連接方面采取了鏈路中斷支持。此外SCPS-TP 將鏈路丟包情況分為鏈路擁塞、鏈路降質(zhì)和鏈路中斷,不同情況采取不同措施,因而最大限度地提高鏈路的傳輸效率。目前SCPS-TP 協(xié)議已經(jīng)由美國M ITRE 公司實現(xiàn),其開源參考代碼(SCPS Reference Implementation),可在Linux 系統(tǒng)中配置編譯后供系統(tǒng)調(diào)用并運行。本文在真實衛(wèi)星鏈路環(huán)境下測試了SCPSTP 協(xié)議的傳輸速率,同時與其它方法速率進行對比,從而驗證其性能。

3 實驗環(huán)境與測試結(jié)果

3.1 實驗環(huán)境

本次實驗借用某型號通信衛(wèi)星帶寬,通過測試大數(shù)據(jù)量文件的傳輸速率,驗證在具有長時延、高誤碼率、非對稱帶寬特點的真實衛(wèi)星鏈路上SCPS-TP協(xié)議、PEPsal 技術(shù)及多種改進型TCP 協(xié)議的傳輸性能。測試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中服務(wù)端、客戶端及加速網(wǎng)關(guān)均為Linux 操作系統(tǒng)計算機,內(nèi)核版本為2.6.18,內(nèi)核中預(yù)裝有多種改進型TCP 加速協(xié)議模塊,如二分增長TCP擁塞控制算法(TCP Binary Increase Congestion Control,TCP bic)、TCP Vegas、TCP Hybla、TCPW等,分別加載各模塊即可使用相應(yīng)方法。此外,服務(wù)端和客戶端計算機系統(tǒng)中均預(yù)裝有FTP 客戶端軟件(gFTP)及FTP 服務(wù)端軟件(vsftpd),可以利用這些軟件實現(xiàn)大數(shù)據(jù)文件的上傳和下載;加速網(wǎng)關(guān)計算機配置有100M 的雙網(wǎng)卡,還預(yù)裝有SCPS 協(xié)議棧軟件模塊及PEPsal 實現(xiàn)軟件模塊,分別經(jīng)過配置運行后可使該計算機作為相應(yīng)的加速網(wǎng)關(guān)使用[10]。2 個New tec 網(wǎng)絡(luò)的IP Modem 調(diào)制解調(diào)器,分別作為上行和下行鏈路的調(diào)制解調(diào)器,采用3/4 碼率的前向糾錯碼(Forward Error Correct Code,FEC碼)和四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)調(diào)制,符號率為1M symbol/s。IP Modem 用作調(diào)制器時,將加速網(wǎng)關(guān)輸出的IP 數(shù)據(jù)流調(diào)制轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星鏈路協(xié)議格式的L 頻段中頻信號數(shù)據(jù)流,輸出至合路器等設(shè)備進行處理;用作解調(diào)器時,則反之。中頻信號經(jīng)上變頻功率放大器(BUC)進行頻率和功率的調(diào)整,經(jīng)衛(wèi)星地面站天線發(fā)射至衛(wèi)星。數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星進行透明轉(zhuǎn)發(fā)至下行天線,然后經(jīng)下變頻器轉(zhuǎn)換為中頻信號,再經(jīng)同軸電纜至IP Modem 解調(diào)。本次實驗由于條件限制,采用上行和下行鏈路共用一套室外設(shè)備進行信號的發(fā)射和接收。

圖1 測試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 St ructure of the test network

網(wǎng)絡(luò)中使用RJ45 網(wǎng)口連接的分段上數(shù)據(jù)流是雙向的,而SM A 接口(Sub-M iniature-A)與F 接口(F-connector)間同軸電纜上的數(shù)據(jù)流則是單向的,如圖1 中箭頭指示方向。該網(wǎng)絡(luò)為可靠的端到端TCP 協(xié)議應(yīng)用提供一個閉環(huán)回路,服務(wù)端至客戶端中頻信號經(jīng)射頻設(shè)備至衛(wèi)星鏈路,而其返向鏈路中頻信號則在地面段經(jīng)同軸電纜直接接入服務(wù)端IP Modem 進行解調(diào)。

3.2 測試項目及結(jié)果

測試的內(nèi)容是不同傳輸時延(Round T rip-Time, RTT)、不同丟包率(Packet Loss Rate,PLR)、不同傳輸協(xié)議情況下文件上傳和下載的平均速率。測試項目條件分為3 類:A 類實驗,不接入IP M odem 及衛(wèi)星鏈路,用網(wǎng)線將兩網(wǎng)關(guān)直接連接,用于測試網(wǎng)絡(luò)連通性與極限傳輸速率;B 類實驗,接入IP Modem 但不接入衛(wèi)星鏈路,兩IP M odem 用同軸電纜雙向直連,測試IP M odem 網(wǎng)絡(luò)連通性;C類實驗,服務(wù)端至客戶端經(jīng)衛(wèi)星鏈路,而其回傳鏈路在IP M odem 間用同軸電纜直接連通,并分別設(shè)置不同的IP M odem 輸出功率及不同的鏈路傳輸協(xié)議,用于測試各種條件下的傳輸速率。此外,為了對比,當(dāng)使用Linux 系統(tǒng)默認(rèn)的TCP bic 協(xié)議時,還測試了客戶端和服務(wù)端計算機位置互換情況下的文件傳輸速率。網(wǎng)絡(luò)中除SCPS-T P 協(xié)議和PEPsal 協(xié)議需用加速網(wǎng)關(guān),其它協(xié)議均直接在服務(wù)端與客戶端加載,并將服務(wù)端與客戶端分別與其IP Modem 用網(wǎng)線直連。

這里稱圖1 中客戶端至服務(wù)端的單向鏈路為前向,其數(shù)據(jù)傳輸為上傳,而服務(wù)器至客戶端的單向鏈路為返向,其數(shù)據(jù)傳輸為下載。各項測試結(jié)果如表1 所示。其中上傳和下載速率均為有效數(shù)據(jù)(這里有效數(shù)據(jù)指FTP 協(xié)議格式中的內(nèi)容部分,不包含頭尾及地址等信息)的傳輸速率;傳輸時延(RT T)和丟包率(PLR)均由ping 命令的網(wǎng)間控制報文協(xié)議(Internet Control M essages Protocol,ICM P)測出。

表1 各測試項目及其結(jié)果Table 1 Result of all test items

4 測試結(jié)果分析

由表1 可知,A1 項測試不經(jīng)IP M odem 而將兩網(wǎng)關(guān)直連,在無誤碼影響(PLR 為0)和無長傳輸時延影響(RT T 很小可忽略不計)時,上傳和下載速度均能達到8 000kByte/s,即64M bit/s。考慮到FTP數(shù)據(jù)在各層封裝的包頭及校驗部分?jǐn)?shù)據(jù)位,可以認(rèn)為達到了理想情況下100M 網(wǎng)絡(luò)的有效數(shù)據(jù)的傳輸上限。

此外IP M odem 設(shè)置符號率為1M symbol/s,由于采用3/4 碼率FEC 和QPSK 調(diào)制,相當(dāng)于數(shù)據(jù)帶寬為1.5M bit/s,即傳輸速率為187.5kByte/s,包括有效的FTP 數(shù)據(jù)及其在各層封裝的包頭及校驗位。A1 至C6 項測試的上傳鏈路及C7 項的下載鏈路,由于FTP 數(shù)據(jù)未經(jīng)衛(wèi)星而在地面IP Modem 直接聯(lián)通,鏈路時延和誤碼影響極小,而其ACK 信息數(shù)據(jù)量相對很小,雖經(jīng)過衛(wèi)星鏈路但基本不受影響,因而有效數(shù)據(jù)速率均能達到150kByte/s,考慮到包頭及校驗位,可以認(rèn)為鏈路帶寬得到了充分應(yīng)用。反之,大數(shù)據(jù)量FTP 數(shù)據(jù)包受衛(wèi)星鏈路長時延和高誤碼環(huán)境影響,不同協(xié)議傳輸性能受到不同程度的影響。

4.1 傳輸時延和丟包率對SCPS-TP 的影響

軌道高度為H ,無線電傳播速度v,則衛(wèi)星通信鏈路上單向傳播時延為

T =2 ×H/v

通信衛(wèi)星高度36 000km,則地面天線與衛(wèi)星間單向鏈路傳輸時延為240ms,考慮到路由轉(zhuǎn)發(fā)及系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的封裝與轉(zhuǎn)發(fā)處理, 衛(wèi)星鏈路RT T 約300ms。對比表1 中B1,C1 的測試結(jié)果可獲得在相同PLR 條件下(PLR=0)RT T 對SCPS-TP 傳輸協(xié)議的影響。對比C1、C2 的測試結(jié)果可獲得在相同RT T 條件下(RTT =300ms)PLR 對SCPS-TP 傳輸協(xié)議的影響。結(jié)果如圖2 所示。

圖2 RT T 和PLR 分別對SCPS-TP 協(xié)議性能的影響Fig.2 Effects on SCPS-TP of RT T and PLR respectively

B1 項測試中,當(dāng)兩IP M odem 直連時RT T 為50ms,網(wǎng)絡(luò)丟包率可以忽略,上傳、下載速度均能達到150kbyte/s,可以認(rèn)為此時完全利用了整個物理帶寬。C1 項測試中, 當(dāng)PLR 近似0 時, RTT 由50ms 升至300ms,衛(wèi)星鏈路上擁塞窗口增長需要的時間長,造成平均吞吐量下降,FTP 下載速率下降10%。C2 項測試中,當(dāng)RT T 為300ms 時,PLR 由0 升至3%,導(dǎo)致傳輸包出錯的幾率大大增加,重傳數(shù)據(jù)增加因而FTP 下載速率下降41%。對比B1和C2 的結(jié)果可知, RTT 由50ms 升至300ms, 且PLR 由0 升至3%時,SCPS-TP 協(xié)議在衛(wèi)星鏈路中的性能下降近47%。由于RT T 和PLR 的聯(lián)合作用,鏈路質(zhì)量受到較大影響,因而性能受到的影響也最大。

4.2 衛(wèi)星網(wǎng)中不同協(xié)議的性能對比

對比表1 中C2～C6 項測試結(jié)果,可以得到不同的傳輸層協(xié)議在相同的衛(wèi)星鏈路環(huán)境中的性能對比情況,如圖3 所示。測試中的衛(wèi)星鏈路情況為:RT T =300 ms,PLR=3% 。

下載時在衛(wèi)星鏈路上不同的傳輸層協(xié)議表現(xiàn)出不同的性能。其中針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)制定的SCPS-TP協(xié)議性能最好;針對長傳輸時延鏈路引入比例因子ρ=RT T/RT T0(RTT0為有線鏈路參考時延,一般取25ms,RT T 為實際鏈路時延),使得在慢啟動階段以ρ比例快速增長擁塞窗口的TCP Hybla 協(xié)議也獲得了較好的傳輸速率;客戶端系統(tǒng)默認(rèn)的TCP bic 協(xié)議在衛(wèi)星鏈路中性能最差;加速代理網(wǎng)關(guān)技術(shù)PEPsal 以及TCP Hybla 協(xié)議相結(jié)合的情況, 也能獲得相對不錯的結(jié)果,但較單獨的TCP Hybla 協(xié)議有所下降,這是因為PEPsal 代理網(wǎng)關(guān)雖然能將標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議在接入衛(wèi)星鏈路時轉(zhuǎn)換為其它協(xié)議,解決了鏈路協(xié)議的兼容性問題,但其在進行協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理時相對需要更多的開銷,從而導(dǎo)致鏈路性能受到一定的影響。

圖3 不同協(xié)議的性能對比Fig.3 Performance contrast among different protocols

5 研究展望

SCPS-T P 協(xié)議雖然采用了多種機制和策略來應(yīng)對衛(wèi)星鏈路上的復(fù)雜環(huán)境,但其采用的擁塞控制策略是保守的Vegas 擁塞控制算法和Van Jacobson 擁塞控制算法,文獻[1,11]的結(jié)果均表明改進型TCP 算法TCP Vegas 在衛(wèi)星鏈路環(huán)境下傳輸速率性能不及TCPW、TCP Hybla 和增強型TCPW(Enhanced TCPW, E-TCPW)方法,因而SCPS-TP在衛(wèi)星鏈路傳輸性能有待進一步提高。下一步研究可考慮以SCPS-TP 協(xié)議為基礎(chǔ),繼承SCPS-TP 的SNACK 與TP 包頭壓縮等優(yōu)勢,對其擁塞控制策略進行改進,比如增加一種更優(yōu)越的擁塞控制方法,來應(yīng)對空間鏈路環(huán)境。由于SCPS-TP 協(xié)議本身可以區(qū)分鏈路降質(zhì)的原因,在采取擁塞控制時只需要考慮鏈路帶寬是否充分利用。當(dāng)處于慢啟動階段,可以采用Hybla 協(xié)議慢啟動階段的窗口增長方法;而在擁塞避免階段,可借鑒TCP Vegas 方法判斷帶寬是否得到了充分利用,從而決定是否增加或減小擁塞窗口。這樣,對于衛(wèi)星鏈路長時延的情況,擁塞窗口能快速增大到合適的值,有效地減少慢啟動階段所需要的時間,并且其擁塞避免階段區(qū)分鏈路可用帶寬的利用情況,利用率低時窗口增長快,反之增長慢,當(dāng)利用率趨于超載時減小擁塞窗口,從而可提高鏈路的平均吞吐量。

6 結(jié)論

本次實驗結(jié)果表明,在地面有線網(wǎng)絡(luò)中,由于丟包率PLR 很低且傳輸時延RT T 很小可忽略不計時,使用不同的傳輸協(xié)議時,鏈路傳輸速率受影響相差不大,但在衛(wèi)星鏈路中由于PLR 較高且RTT 較大,不同的傳輸協(xié)議性能分別受到不同程度的影響。其中專門針對衛(wèi)星鏈路設(shè)計的SCPS-TP 協(xié)議受影響最小,針對長RTT 鏈路而改進的TCP Hybla 協(xié)議性能受到影響也較小,基于地面Internet 的TCP bic 及標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議受影響較大。基于SCPS-TP協(xié)議改進的方法,采用更加有針對性的擁塞控制策略,可以減小平均吞吐量的降低,而在傳輸效率上可以取得一定程度的提升。

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