衛星網絡環境下的擁塞控制研究

孫彥東，季振洲，王 暉

（哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院 哈爾濱150001）

1 引言

20世紀90年代末期，人們開始對寬帶衛星網絡產生濃厚興趣。衛星通信是一種非常先進的通信技術，具有將地球上絕大多數人口聚居區域互聯起來的能力。但是在和地面通信網絡 （由光纖骨干網絡和無線接入網絡構成）的競爭中，衛星通信行業卻往往處于劣勢。主要原因是衛星通信無法提供同光纖骨干網絡相同的高帶寬以及受到衛星接入的用戶數量和成本的制約。

然而，從19世紀末開始，整個衛星通信行業又開始進入新一輪的快速增長期，這主要是基于寬帶衛星數據網絡的快速發展。有許多投資巨大的寬帶衛星通信網絡系統正在研制或者即將運行，例如Teledesic系統[1]、SpaceWay系統[2]、Astrolink系統[3]和SkyBridge系統[4]等。這些系統可為不同用戶提供各種各樣的通信服務，包括互聯網應用、寬帶多媒體移動通信等。隨著衛星通信的發展，對衛星網絡中的各種服務提出了新的要求，特別是數據傳輸的效率、穩定性和公平性等。

網絡擁塞控制是網絡穩定運行的基礎，網絡擁塞是指網絡所處的一種資源過載狀態。資源過載會導致數據丟失率和傳輸時延增大，如果沒有資源預留，過載進而導致提供時間和空間復用的網絡效率降低[5，6]。擁塞控制算法是一種分布式算法，是指為多個競爭數據流有效分配網絡資源。從Van Jacobson最初提出的TCPTahoe算法[7]到TCP Reno算法[8]和TCPNewReno算法[9]，擁塞控制一直是網絡研究的一個熱點，研究者們設計出許多擁塞控制算法。傳統的擁塞控制都是假設在有線環境下，鏈路錯誤率可以忽略，擁塞是數據丟失的惟一原因。但衛星寬帶網絡相對于傳統的網絡還具有鏈路誤碼率高的特點，數據的丟失可能由此引起。此外，具有長時延特性的寬帶衛星網絡中（如GEO（geostationary earth orbit）網絡的RTT（round trip time）大約為550 ms），由于帶寬時延積（帶寬和時延的乘積）大，使得擁塞控制在該環境下的應用具有一定的局限性[10~13]。衛星網絡還具有鏈路不對稱的特點，表現在雙向鏈路具有不同的帶寬、時延和錯誤率。這些特點都使衛星網絡區別于傳統意義上的網絡，因此需要對衛星網絡下的擁塞控制進行重新的審視，最近幾年，研究者們陸續提出一些改進算法，但并沒有形成標準的算法，因此，衛星網絡下的擁塞控制問題仍需要進一步的研究。

2 衛星網絡特點對擁塞控制的影響

衛星網絡覆蓋面廣，能夠提供一種“無處不在”的接入方式，不需要建設基礎設施就能夠使分散的各個區域相互通信或者接入Internet，同時還能夠在發生自然災害等情況下提供應急通信。因此，其巨大的潛力吸引了衛星和網絡方面的學者們致力于提高TCP，特別是擁塞控制算法在衛星網絡中的性能。衛星網絡的固有特點對擁塞控制產生了嚴重的影響，這些特點也是設計擁塞控制算法的重要參考。

2.1 高時延

TCP是一種確認信息驅動的協議，確認信息的連續性、及時性對實施擁塞控制、保證數據流的暢通是很重要的。衛星網絡的高時延特性對擁塞控制的性能產生了一定的影響，首先，高時延使得擁塞控制的慢啟動過程所需時間延長[14]。TCP的發送端通過調整發送窗口來改變發送速率，當擁塞控制進入慢啟動過程時，發送窗口每經過一個RTT時間它的值增加一倍，直到達到預設的閾值——鏈路的帶寬時延積，由于衛星網絡中的時延較大，其帶寬時延積也較大。同時，TCP一般采用累積確認選項，當接收一定數量的數據包之后，接收端才發送確認信息，這樣減緩了確認信息的發送頻率，如果在一個窗口中有多個數據包丟失，吞吐量會迅速下降。綜上，衛星寬帶網絡的慢啟動過程所需時間較長，特別是傳輸如Web這樣的短流時，在發送窗口未達到閾值時，數據已經傳送完畢，導致網絡利用率降低。其次，在擁塞避免過程中，發送窗口每經過一個RTT時間它的值增加一個數據包，增長速度更緩慢。最后，具有高RTT的連接同具有低RTT的連接共享同一條瓶頸鏈路時，由于前者窗口增加速度低于后者，獲得的可用帶寬也較低，產生了不公平。

2.2 高鏈路誤碼率

TCP擁塞控制假設數據包的丟失是由于瓶頸鏈路的隊列溢出引起的，而像鏈路誤碼或者其他錯誤等這樣的原因是很少的，因此，TCP擁塞控制把數據包的丟失作為網絡發生擁塞的標志，進而采取相應的調節機制。這個假設在有線網絡中是成立的，但在無線網絡特別是衛星網絡中就不再成立。在衛星網絡中，由于天氣，無線信號干擾、衰減等原因，鏈路誤碼率遠遠高于有線網絡[15]。由于傳統的TCP擁塞控制機制沒有區分數據包丟失的原因就實施擁塞控制，即使是一個“誤報”數據包丟失，網絡也需要重新進入慢啟動和擁塞避免階段，嚴重影響了網絡性能。

2.3 鏈路不對稱

由于發射功率和天線尺寸的限制，衛星網絡的雙向鏈路往往不對稱，可能具有不同的帶寬、誤碼率和時延。對于GEO來說，情況更是如此，考慮到通信成本，用于數據傳輸的衛星鏈路傳輸距離較長，需要較大的發射功率，反向鏈路可能通過速率較低的電話線路傳輸確認信息[16]。對于TCP的擁塞控制機制，連續的確認信息對于發送端持續發送新數據是重要的，當前向鏈路數據發送速率提高，反向鏈路確認信息就會增加，由于反向鏈路帶寬較低，就可能造成確認信息出現時延或者丟失，勢必影響前向鏈路的速率和擁塞控制的性能。

正是由于衛星網絡的這些特點，應用于傳統網絡的擁塞控制算法不能夠直接應用于該網絡環境。近年來，研究者們陸續提出改進的擁塞控制算法和新擁塞控制算法，這些算法如果按照實現方式可以劃分為兩類：基于窗口算法如SCTP[17]、TCPW[18]、TCP Peach[19]和基于 速率算法 如TCP Vegas[20]、STP[21]、SCPS-TP[22]。基于窗口算法就是發送端根據接收到的反饋信息來調整擁塞窗口，進而改變向網絡發送的數據量，從而達到擁塞控制的目的，TCP協議就采用此種算法，以AIMD（additive increase multiplicative decrease）形式進行擁塞控制；基于速率算法是根據端系統的測量值或者來自網絡的反饋信息直接對發送速率進行調整，同樣達到擁塞控制的目的。前者采用的是一種突發數據傳輸方式，后者則采用的是較為平緩的方式[23]。按照實現形式可以劃分為兩類：顯式擁塞控制如ECN[24]和隱式擁塞控制如TCPNewReno[9]、TCPW[18]等，兩者區別在于是否存在通知端系統網絡有無擁塞發生。按照實現的位置可以分為3類：端到端算法TCPNewReno[8]、TCPVegas[18]，鏈路算法[25]和端系統與鏈路結合算法，如在參考文獻[26]中提到的一種協同式的擁塞控制算法。同有線網絡環境下的擁塞控制算法類似，只是3類算法針對衛星網絡環境的特點做了一些改進或重新設計。

3 衛星網絡擁塞控制算法及研究

鑒于衛星網絡擁塞控制算法分類并不嚴格，一些算法所屬不同分類，因此本節圍繞衛星網絡的主要特點介紹衛星網絡擁塞控制算法的現狀、發展及研究熱點。

3.1 針對高帶寬時延積的擁塞控制算法

（1）增加初始窗口[24]

為了減少慢啟動階段所需時間，可以增大初始窗口值，實驗表明，擁塞窗口值從1增加到Min[4 MSS，Max（2 MSS，4 380 byte）]，其中MSS為最大TCP分組。 這樣，在第一個RTT就會發送更多的分組，就會產生更多的確認信息，擁塞窗口增加更快。此外，把初始窗口的值設置至少為2，第一個分組就不需等待時延確認計時器超時。因此，和擁塞窗口初始值為1相比，至少可以節省3×RTT和一個時延確認超時的時間。參考文獻[27]和[28]表明，在衛星網絡中增加初始窗口值確實能夠縮短慢啟動階段所需時間，減少網頁的傳輸時間。但這種方法也增加了發送數據的突發性，如果網絡已經存在擁塞，那么增大窗口就會加劇擁塞。

（2）XCP（explicit control protocol）[29]

XCP協議需要在端系統和路由器上實現，主要是利用ECN反饋信息，而不是讓發送端去探測網絡可用帶寬。XCP把擁塞控制和帶寬分配分離開來，這樣，可以把帶寬分配給單獨的數據流而無需擔心數據包丟失和可用帶寬利用問題[30]。為了獲得公平帶寬分配、高帶寬利用率、零數據丟失，需要在路由器中實現ECN和效率控制器（efficiency controller，EC）和公平控制器（fairness controller，FC）。XCP雖然克服了高帶寬的時延問題，但高BER和帶寬不對稱仍舊影響XCP的性能，為此，參考文獻[31]提出P-XCP協議。

（3）VCP（variable-structure congestion-control protocol）[32]

VCP定義了3個擁塞域：低負載、高負載和過載，在這3個域中采用MIAIMD（multiplicative-increase,additiveincrease,and multiplicative-decrease）策略進行擁塞控制。VCP利用ECN位中的兩位，以一種顯式方式指示網絡所處的擁塞程度。VCP能夠獲得高鏈路利用率、低持續隊列長度、可以忽略的數據丟失率和一定的公平性，但其也存在一些缺點，如當存在鏈路錯誤時，VCP就會產生振蕩；收斂速度較慢以及擁塞反饋信息不足時公平性較差等。

（4）SACK（selective acknowledgement）[33]及其應用

SACK使TCP只重新發送丟失的包，不需發送后續所有的包，而且提供相應機制通知發送方數據的接收情況，因此可以在一個RTT中重傳所有丟失的數據，提高傳輸效率。基于SACK，FACK（forward ACK）[34，24]利用TCP SACK選項收集擁塞狀態信息，在丟失分組恢復階段加入了更加精確的控制來調整數據發送速率。FACK把擁塞控制和數據恢復分開，提供一種簡單、直接的方法應用SACK選項提高擁塞控制性能。SCPS-TP采用的SNACK（selective negative ACK） 是SACK和NAK（negative acknowledgement）的結合，能夠報告多個窗口中的多個分組丟失，這對于高時延網絡尤為重要[35]。

（5）Fast Start[35]

基本思想就是應用緩存信息（如擁塞窗口、慢啟動門限、RTT等）減少TCP慢啟動階段探測帶寬的開銷，有效地減少了時延，特別適用于斷流傳輸。Fast Start算法由發送端算法和路由器算法組成。其中發送端算法包含4個部分：Fast Start階段開始和終止，TCP狀態變量初始化，在第一個RTT應用計時器記錄數據包，快速檢測失敗Fast Start和快速恢復。路由器算法就是采用包優先級丟棄策略，Fast Start數據包標記為低優先級，這樣當需要丟棄數據包時，不會影響到其他的連接的數據包。這種機制不需要維護每個連接的信息，能夠很好應用于采用Drop Tail和RED的路由器。模擬實驗表明Fast Start有效減少了文件傳輸時間[35]，然而Fast Start只能應用于發送端能夠獲得相同路徑上最近擁塞窗口值的情況[36，19]。

（6）TCP-Peach[19]

主要是針對高帶寬時延和高BER網絡，修改了TCP擁塞控制中的慢啟動和快速恢復，取而代之為突然啟動和迅速恢復。在連接建立開始時，采用基于“啞元”的慢啟動算法。“啞元”不攜帶任何信息，具有較低的優先級，用于探測網絡可用帶寬。在突然啟動階段，發送端發送一個數據分組和rwnd-1個 “啞元”，rwnd是接收端的最大接收窗口值。突然啟動階段持續一個RTT，然后進入擁塞避免階段。擁塞避免階段，發送端每收到一個對于“啞元”的確認信息，擁塞窗口就增加1[18]。迅速恢復算法旨在解決鏈路錯誤引起的吞吐量下降的問題。在啞元沒有收到應答時不增加發送窗口的大小，以此來牽制發送窗口的增加。而當收到對于啞元的應答時，又可以根據啞元的應答來增加發送窗口，使得發送窗口能在較短的時間內恢復到原來的大小。基于Sudden Start，TCP-Peach+[37]提出Jump Start算法，其不再使用“啞元”，而是NIL分組。NIL分組攜帶未確認信息，不但能夠探測網絡資源，而且能夠恢復丟失分組。此外，參考文獻[38]提出結合增大初始擁塞窗口值[24]和突然啟動的機制。

（7）REFWA（recursive，explicit，and fair window adjustment）[39]

REFWA是針對多跳衛星群通信的一種有效、公平的TCP控制機制。其擁塞控制的基本思想是把所有共享瓶頸鏈路的TCP連接的窗口值和網絡的容量進行匹配，提高網絡的有效性。其利用連接的跳數估計RTT，然后把具有相同RTT的連接劃分為組，再把可用帶寬按照RTT權重進行分配，提高網絡的公平性。每一個連接分配的帶寬以一種反饋信息的形式通知發送端，這個反饋信息存儲在ACK數據包頭部的RWND（receiver’s advertised window）域中，發送端根據該信息調整發送速率。盡管REFWA獲得了很好的性能，但其沒有考慮衛星鏈路的高誤碼率的情況。

3.2 針對鏈路誤碼的擁塞控制算法

針對衛星鏈路的高誤碼率特點，可以從網絡的不同層次入手，如在數據鏈路層采用前向鏈路糾錯和自動重傳機制，這里主要討論擁塞控制算法采用的機制。

（1）ECN（explicit congestion notification）[24]

ECN是最早提出的顯式控制方式，后來許多的機制都基于此。其應用IP數據包頭部的兩位——ECT和CE攜帶信息指示數據流是否支持ECN，網絡是否存在擁塞；應用TCP頭部的兩位——ECE和CWR通知發送端擁塞狀態和接收端是否縮小窗口，如圖1[40]所示。ECN的工作需要TCP端系統和路由器相互協作，具體過程如圖2[40]所示。目前為止，有兩種ECN形式，BECN（backward ECN）[41]和FECN（forward ECN）。BECN比ECN快速得多，因為在發送端對擁塞信號做出反應前，擁塞信號不需經過一個RTT。因此，BECN很大程度上減少了數據傳輸時延、時延變化和由緩沖區溢出而產生的數據丟失等。這種顯式的控制方式在某種程度上能夠解決衛星鏈路誤碼率高的缺點，因此許多擁塞控制算法都基于這種控制機制，如XCP、RCP等。

（2）STP[21]

STP協議是一種基于端到端探測的能夠適應衛星信道單一錯誤的機制，采用基于速率的擁塞控制方法，沒有數據包丟失原因判斷機制。XSTP[42]是在STP的基礎上增加了一種錯誤判斷機制，該機制是基于端到端的探測機制，是通過測量探測前后的RTT值來判斷數據丟失原因。如果是擁塞引起的，那么擁塞窗口減小，擁塞控制機制啟動。反之，這兩種機制都不啟動。其缺點就是引入的開銷較大。

（3）TCPWestwood[18]

TCPW是比較適合應用于易失網絡，其最大特點是只需在發送端改進TCP算法，不需要中間節點監測和截取TCP分組。發送端通過監測ACK的接收速率來估計網絡可用帶寬，當數據丟失和傳輸超時，估計值還可用來設置擁塞窗口和慢啟動門限。盡管TCPW在高數據丟失情況下具有良好的性能，但其并沒有克服長時延帶來的影響。

（4）TCP-STAR[43]

TCP-STAR協議采用3種機制，分別為CWS（congestion window setting）、LWC（lift window control）和AEN（acknowledgement error notification）。CWS能夠避免由于鏈路錯誤而產生的數據丟失所造成的傳輸速率下降，LWC能夠根據估計的帶寬迅速增加擁塞窗口，AEN能夠避免由于確認信息時延或者丟失而引起的誤重傳所造成的吞吐量下降。

（5）REFWA Plus[44]

其擴展了REFWA，通過比較最新的和舊的反饋信息來判斷數據丟失的原因。由擁塞引起的數據丟失通常伴隨著計算的帶寬反饋的下降，而有鏈路錯誤引起的數據丟失伴隨著計算的帶寬反饋的上升或者維持原值。盡管REFWA Plus解決了數據丟失原因判斷的問題，但實驗表明其精度還有待提高。

（6）TP-Satellite[45]

其包含4個過程：超級啟動、擁塞避免、丟失區分和擁塞恢復。其中在丟失區分階段利用定期發送具有高低優先級標記的數據包（M-NACK數據包）來區分數據丟失的原因，擁塞發生時，路由器首先丟棄低優先級的數據包；發生鏈路錯誤時，隨機丟棄。如果網絡發生擁塞，程度較輕時，丟失的數據包數等于丟失的低優先級數據包數；程度較重時，丟失的數據包數大于擁塞窗口的一半。如果發生鏈路錯誤，高低優先級數據包具有相同的丟失概率。

3.3 其他典型算法

（1)TCPVegas[20]

TCP-Vegas采用一種巧妙的帶寬估計策略，根據期望的流量速率與實際速率的差來估計網絡瓶頸處的可用帶寬。TCP-Vegas對TCPReno主要做了3個方面的改進，分別是快速重傳機制、擁塞避免階段和慢啟動階段，其能夠獲得更高的吞吐量、帶寬利用率，較低的丟包率和隊列長度，對于不同傳輸時延的數據流的良好公平性和服務質量。但是隨著負載的增加和路由器緩存的減小，TCP-Vegas的性能會逐漸變差，其效果下降與Reno相似。

（2）SCPS-TP（space communications protocol standardstransport protocol）[22]

SCPS-TP采用3種方法解決由于鏈路錯誤而造成的數據丟失問題：顯式錯誤響應，SNACK選項和錯誤容忍的端到端頭部壓縮機制。SCPS-TP采用了基于TCPVegas的擁塞控制機制，同時還采用了擴展TCP計時器和Window Scaling選項克服長時延來提高鏈路利用率。

（3）TP-Planet（transport protocol for interplanetary Internet）[46]

采用一種基于速率的AIMD擁塞控制機制，包含兩種新的算法：Initial State和Steady State。Initial State由Immediate Start和Follow-Up兩個過程組成，取代了慢啟動算法。Steady State算法包含4種狀態：Hold Rate、Decrease Rate、Increase Rate和Blackout，根據接收得到的反饋信息調整速率。TP-Planet還采用時延SACK來解決帶寬不對稱的問題[47]。

（4）AVQRED（adaptive virtual queue random early detection）[25]

AVQRED通過構造虛擬隊列，然后在接收隊列中進行監測和標記來解決異步隊列行為；采用RED算法的早丟棄措施來解決全局同步問題。

3.4 研究熱點

衛星網絡擁塞算法的設計目前還是主要集中在對TCP協議的修改上，也有一小部分探索顯式控制方式和基于控制論、模糊邏輯的方法。作為一個相對較新的環境，擁塞控制的研究熱點可以歸納如下。

·為了消除高時延對擁塞控制帶來的負面影響，對擁塞控制算法進行改進或者重新設計。其中包括采用基于速率控制的擁塞控制算法，不依賴窗口調節來改變發送速率；重新設計擁塞控制結構，采用類似PEP（performance enhancing proxies）[48]的思想，對鏈路進行重新劃分。

·在衛星網絡中由鏈路錯誤造成的數據丟失還是很普遍的，因此如果設計擁塞控制算法時涉及到數據丟失，那么就必須考慮鏈路錯誤，其研究集中在兩個方面：鏈路錯誤的發現機制，能夠準確判斷造成數據丟失的原因；響應機制，網絡節點能夠根據發現機制的結果做出正確、及時的響應。

·AQM作為傳統網絡的擁塞控制算法已經很成熟，但在衛星網絡中的研究還處于初級階段，因此，研究AQM算法在衛星網絡環境下的性能及改進機制將是今后研究的重點。同時，也可進一步探索采用反饋控制、模糊邏輯等輔助措施實現AQM算法的準確性和快速收斂性。

4 結束語

衛星網絡的特性為傳統擁塞控制算法在該環境下的性能造成了負面影響，為此，近期，研究者們提出了一些改進的擁塞控制算法，這些算法主要包括兩個方面：TCP擁塞控制的改進；基于反饋信息的顯式控制機制。本文圍繞衛星網絡的特性，分別從算法的實現原理、優點和缺點等方面對衛星網絡擁塞控制算法進行了全面的介紹，最后提出了一些研究熱點。

隨著網絡異構性和復雜度的增加，為了網絡運行穩定，我們需要從利用率、公平性、穩定性和收斂速度等多個方面綜合設計網絡擁塞控制算法。最近有研究者嘗試把模糊控制、博弈論應用于衛星網絡擁塞控制算法的設計，為擁塞控制研究開辟了新的思路。未來的衛星網絡擁塞控制需要從理論和實驗兩方面進行深入研究，建立一個符合該環境的網絡模型。

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