區域覆蓋LEO星座網絡中TCP協議性能仿真

楊 森，吳 彥， 戰文杰

0 引言

星座衛星通信是今后衛星通信的主要發展方向之一，能夠支持多業務、多速率、多頻段、多體制、多軌道類型，能夠有效解決目前中國衛星通信空間段資源不足、軌道類型單一、覆蓋范圍小、體系不完善、建設規模小、抗攻擊能力差、無星間鏈路、網絡化水平低、信息綜合能力弱等方面的問題[1]。而且因其寬覆蓋范圍、優良的傳播能力和不受各種地域條件限制等優點成為無線因特網接入的重要途徑。但是就中國實際國情，目前還難以建成一個能夠覆蓋全球的星座衛星通信系統，而首先建立一個區域覆蓋的星座系統，然后向全球覆蓋過渡，不但可行而且需要，這里研究的對象就是能夠覆蓋中國領土的24/3/1區域覆蓋Walker星座。

目前，24星Walker星座還處于理論研究和驗證階段，對于該系統的網絡性能，特別是對于TCP協議在該網絡中的性能，沒有現成的資料和數據可供參考。信道速率、分組長度、發送窗口的大小和誤碼率等條件的不同組合都會對TCP協議性能產生不同的影響[2]，首先在NS2中建立了24星的星座網絡模型[3]，然后在該模型下通過仿真給出TCP協議在各種情況下性能表現，為下一步的工作提供理論參考。

1 低軌星座衛星通信中TCP協議的特殊性

TCP協議是一種端到端的協議，為了進行流量控制和擁塞控制，該協議采用了慢啟動、擁塞避免和滑動窗等機制，在地面網絡中運行非常成功。雖然與靜止衛星通信相比，低軌星座衛星通信的通信時延小很多，TCP協議中慢啟動算法帶來的問題并不明顯[4]。但是，低軌星座衛星網絡具有變化幅度很大的分組往返時延（RTT，Round-Trip Time）、頻繁的切換、較高的信道誤碼率及信號衰落等特點，這些特點使得TCP協議在衛星移動信道中的效率受到較大影響。

①衛星移動引起信道的頻繁切換和網絡拓撲的不斷變化，使得分組的傳輸時延大幅變化，而且在某些時刻信道的分組丟失率極高；②雨衰、多徑衰落、陰影效應和切換等都會造成信道的誤碼率急劇增加，造成數據分組在衛星信道上的丟失，而TCP協議無法區分由于擁塞和鏈路惡化造成的分組丟失，卻統一認為是由于擁塞而引起的，這就會降低網絡的吞吐量，而且當確認符（ACK，ACKnowledge Character）分組丟失時，吞吐量會進一步惡化[5]。

2 仿真模型

現采用比較流行的網絡仿真軟件NS2進行建模和仿真[3]，在該軟件下建立了一個24星的區域覆蓋的星座網絡模型，基于該模型對星座通信網絡的性能進行仿真。

2.1 區域覆蓋星座網絡模型

在NS2中建立一種區域覆蓋的24/3/1Walker星座網絡模型，該星座提供帶狀覆蓋區，可以覆蓋中國全部領土。星座中共有3個軌道面，每個軌道面的8顆衛星建有持續的星際鏈路，軌道面之間依次通過不同的衛星建立“接力型”星際鏈路，其中異軌衛星間的“建鏈”情況如表1所示。

2.2 NS2中仿真場景參數設置

在NS2中除了設置星座系統的基本參數外，對星座網絡仿真場景的設置如表2所示。

表2 星座網絡仿真場景

3 仿真結果

3.1 網絡的傳輸時延

首先為了給出該網絡的傳輸時延，在位于北京和廣州的兩個終端之間建立用戶數據報協議（UDP，User Datagram Protocol）連接，承載固定碼率（CBR，Constants Bit Rate）業務，假設上下行鏈路帶寬均為256 kb/s，分別給出網絡在一個回歸周期內和一個軌道周期內的時延特性如圖1和圖2所示。

圖1 一個回歸周期內的網絡延時

圖2 一個軌道周期內的網絡延時

在星座網絡中，隨著星際鏈路的切換，網絡傳輸延時發生巨大變化，但由于星座運行的規律性，網絡傳輸延時也呈現出規律性。圖1給出了一個軌道回歸周期的時延，也就是說該網絡的時延以回歸周期為周期重復。為了清楚的看到星座拓撲變化給傳輸延時帶來的影響，圖2給出了一個軌道周期內的時延變化情況，可以看到隨著經過的衛星跳數變化，時延急劇變化。

3.2 TCP性能與信道速率和窗口大小的關系

同時，TCP協議的性能受到很多因素的影響，比如信道速率、分組長度、窗口大小、時延以及鏈路丟包率等，下面給出星座網絡中各種條件下的TCP性能，主要用平均吞吐量和平均分組傳輸時延衡量。由于在NS當中窗口大小是以分組數為單位的，因此，窗口大小和分組長度共同構成TCP中窗口，而且NS中的單向TCP協議的接收窗口通過初始設置為固定值。

當接收窗口為40個分組時，在各種信道速率下，吞吐量和分組傳輸時延與信道速率和分組長度之間的關系如圖3和圖4所示。

固定NS中的窗口，不斷調整分組長度等效于調整窗口的效果，從圖3可以看出，不管信道速率大小，增加分組長度對吞吐量的提升并不是很明顯，當分組長度從200增加到1 000字節時，吞吐量大約增加20%。但對分組傳輸時延的影響卻較大，當分組長度從200增加到1 000字節時，分組傳輸時延增加3倍。

圖3 吞吐量、信道速率和分組長度的關系

圖4 分組傳輸時延、信道速率和分組長度的關系

3.3 TCP各改進版本的比較

目前，針對各種特殊的信道條件已經提出了多種TCP的改進版本。主要有：

①Tahoe：傳統的 TCP，基于丟包的擁塞避免和快速重傳，慢啟動。

②Reno：Tahoe對丟包非常敏感，1%的丟包率會導致吞吐率降低50%～75%。Reno在Tahoe基礎上增加了快速恢復，可以一定程度上緩解這一問題。

③Newreno：Reno的快速恢復算法在“快速恢復”了第一個丟失的segment，即收到一個非重復、有效的ACK之后就退出了快速恢復。這樣當同一個窗口中有多個segment丟失時，該算法只能對第一個丟失的包進行快速恢復，導致性能降低。Newreno的快速恢復算法做了小小的改進：在收到非重復、有效的ACK之后，只有這個ACK對發生丟包的窗口內的所有數據做了確認，才退出快速恢復算法。

④Vegas對傳統TCP做了相當大的改進，具體如下：a. 更快速的重傳：為了避免對操作系統粗粒度時鐘的依賴，Vegas在每次重復的ACK到來時，都檢查對應的segment是否已經可以超時重傳，另外，發生重傳時，如果重傳的segment是在上一個大小的擁塞窗口下發送的，則不對擁塞窗口做減半操作，這么做可以避免擁塞窗口被過分減小導致傳輸性能下降；b. 擁塞預測：利用吞吐率的變化調整擁塞窗口，而不是利用丟包來檢測擁塞。每收到一個有效的ACK，計算如下三個值：Expected=WindowSize/BaseRTT；Actual=SentData-ActualRTT；Diff=ExpectedActual，其中，BaseRTT是該連接上觀測到的最小的 RTT值；ActualRTT是被確認segment被發送到收到 ACK的時間間隔；SentData是ActualRTT內發送的數據量。Vegas定義兩個常量a，b（a＜b)，當Diff＜a時，則線性增加擁塞窗口；當Diff＞b時，線性減少擁塞窗口。這種擁塞控制方式是在擁塞將要發生時控制，而不是在擁塞發生后控制；c. 慢啟動的改進：與擁塞預測的改進機制類似，通過監視吞吐率的變化來決定是否離開慢啟動模式。TCP Vegas的最大優點在于擁塞機制的觸發只與RTT的改變有關，而與包的具體傳輸時延無關。由于 TCP Vegas不是利用丟包來判斷網絡可用帶寬，而是以RTT的變化來判斷，因此能更精確地預測網絡的可利用帶寬，其公平性、效率都較好。

現在信道速率為256 kb/s、接收窗口為30、分組長度為800 Byte時，對各種版本的TCP協議在不同丟包率的情況下進行了仿真，平均吞吐量和平均時延分別如圖5和圖6所示。

圖5 各種TCP版本的平均吞吐量比較

圖6 各種TCP版本的平均延時比較

從圖5可以看出，在窄帶星座衛星系統中，Fack的吞吐量始終最小，而NewReno的吞吐量最大，其他幾個版本的吞吐量都相差不多，而且丟包率不同時，有不同的性能。吞吐量對丟包率敏感，隨著丟包率的增加，吞吐量急劇惡化。在圖6中，當丟包率小于0.05時Vegas的時延明顯小于其他各個版本的，而且幾乎不受丟包率的影響，表現出良好的性能，而其他版本的則相差不多。由于取的是時延的平均值，因此當丟包率稍微增加時，時延反而會變小，但當丟包率進一步增大時，時延則會迅速惡化。

4 結語

低軌星座系統由于具有良好的覆蓋性能和較小的分組傳輸時延，具有很好的應用前景，但高的誤碼率和變化的分組時延給網絡性能帶來較大影響，因此，如何利用該系統作為地面網絡的補充進行因特網接入是一個值得探討的問題。這里對平均吞吐量、平均傳輸時延與信道速率、窗口大小以及丟包率的關系進行了研究，并在不同丟包率的情況下，比較了TCP各個該進版本的性能，得到了一些有益的結論，為進一步的工作提供參考。

[1]張更新,張杭.衛星移動通信系統[M].北京:人民郵電出版社,2001:700-734.

[2]PARTRIDGE C, SHEPARD T. TCP-IP Performance over Satellite Links[J]. IEEE Transactions on Networking, 1997,11(05):44-49.

[3]徐雷鳴,龐博,趙耀.NS與網絡模擬[M]. 北京:人民郵電出版社,2003.

[4]BRAKMO L, MALLEY S, PETERSON L. TCP Vegas: New Techniques for Congestion Detection and Avoidance[C].USA:ACM, 1994:24-35.

[5]葉斌,胡谷雨,倪桂強. DSR路由信息存儲的無線 TCP性能改進方法[J].應用科學學報，2007, 25(03):34-38.