民航衛(wèi)星通信中的TCP研究

摘要：文章深入分析了衛(wèi)星通信的特點， 從理論上計算和測試結果驗證衛(wèi)星通信特點對TCP協(xié)議性能的影響，為民用航空衛(wèi)星通信傳輸IP網(wǎng)絡的建設提供參考意見。

關鍵詞：衛(wèi)星通信；傳輸控制協(xié)議；擁塞控制；窗口機制

中圖分類號：TN927.2文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）20-0083-02

衛(wèi)星通信以覆蓋范圍廣、通信距離遠、不受地理條件限制、費用與距離無關、組網(wǎng)靈活等特點，在構建全球通信系統(tǒng)中具有極其重要的作用。在衛(wèi)星網(wǎng)絡的構建中，衛(wèi)星通信的覆蓋性、帶寬配置的靈活性、應對突發(fā)事件或者惡意破壞的相對穩(wěn)定性、適用于災難恢復性等優(yōu)點，促使了眾多機構和部門去部署一個單獨或者混合的（衛(wèi)星上/地球上）衛(wèi)星鏈路網(wǎng)絡基礎設施。民航KU波段衛(wèi)星通信網(wǎng)采用定位于東經(jīng)122.2亞洲四號衛(wèi)星K8V轉發(fā)器，其網(wǎng)絡拓撲結構采用VAST網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構。

1衛(wèi)星通信的特點

①長延時。地球同步衛(wèi)星位于距離地面36 000 km的軌道上，與有線網(wǎng)絡幾毫秒或幾十毫秒的往返時延（RTT）相比，RTT在480～560 ms之間，傳播延時只是往返延時的一部分，如果考慮到數(shù)據(jù)發(fā)送延時、處理時延以及數(shù)據(jù)在星間鏈路上排隊延時，衛(wèi)星通信鏈路的RTT將會更大。

②高誤碼。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星通道主要呈現(xiàn)加性高斯白噪聲特性，隨機誤碼為主要表現(xiàn)形式。另外還受到天氣的影響，在雨雪天氣下，誤碼率比一般情況下的10-4～10-7還要大，甚至不能正常通信。衛(wèi)星通信還受到反向多徑傳播和干擾噪聲等影響而造成錯誤比特的產(chǎn)生。雖然信道編碼技術能在一定程度上降低誤碼率，但現(xiàn)存的很多衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的誤碼率仍然很高。

③信道帶寬不對稱。在地面通信環(huán)境中，通信鏈路是典型的全雙工鏈路，即兩個方向具有相同的數(shù)據(jù)傳輸率。但衛(wèi)星通信系統(tǒng)在下行和上行數(shù)據(jù)信道間有較大的帶寬不對稱性，采用速度較慢的上行信道可使接收機設計更經(jīng)濟且節(jié)省寶貴的衛(wèi)星帶寬。但實際工作中為了做到上下行帶寬相同，將付出更多的系統(tǒng)開銷和經(jīng)濟上的開銷。

④網(wǎng)絡結構的動態(tài)變化。由于衛(wèi)星和星座等由于其運行的軌道周期特點和衛(wèi)星的相對移動性而發(fā)生的通信鏈路重建或拆除，都可能引起網(wǎng)絡結構的改變，以及由于通信鏈路的質量下降而導致無法正常通信或通信中斷。

2衛(wèi)星通信環(huán)境下TCP協(xié)議性能影響

衛(wèi)星通信可以支持IP層協(xié)議，可以形成端對端連接，但連接的延遲、速率、誤碼率等信道特性會對終端設備上的TCP產(chǎn)生實質性影響。

衛(wèi)星通信對TCP協(xié)議性能影響可以歸結為三個方面：擁塞控制、重傳機制、窗口擴大機制。

TCP協(xié)議常用的數(shù)據(jù)發(fā)送流量控制的基本方式是1988年由Van Jacobson提出的慢啟動（Slow Start）和擁塞避免（Congestion Avoidance）算法。

①慢啟動算法：如圖1所示，每建立一個TCP連接時或一個TCP連接發(fā)生超時重傳后，該連接應進入慢啟動階段。在慢啟動過程中，TCP使用了一個擁塞窗口。在TCP建立連接之初，擁塞窗口狀態(tài)參量cwnd設置為1，并以報文段（MSS）計算大小。當源端每收到一個數(shù)據(jù)段的確認幀，cwnd就加1，在此階段，cwnd的大小將隨RTT的時間呈指數(shù)規(guī)律增長。公式如下：

慢啟動時間=R×（log2W-log2W1）（1）

其中，R表示往返時延RTT；W表示擁塞窗口cwnd大小；W1為窗口初始值。式1表示當擁塞窗口按指數(shù)增加，連續(xù)正確發(fā)送多個數(shù)據(jù)包后，擁塞窗口增大到慢啟動門限所需要的時間。

以距地36 000 km地球同步衛(wèi)星為例，其對應的傳播時延大約為480 ms。如果只考慮空間傳播時延，按數(shù)據(jù)包長為512個字節(jié)，假設cwnd為64 K字節(jié)，那么擁塞窗口增大到慢啟動門限的時間≥480 ms×log2（64 000/512）=3.36 s。從第一個數(shù)據(jù)包發(fā)出后，需要3.36 s才能達到慢啟動過程中窗口最大值，這勢必影響到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的鏈路利用率。

②擁塞避免算法：通過使源端的擁塞窗口狀態(tài)參量cwnd每經(jīng)過一個數(shù)據(jù)段的傳輸往返時延RTT只增加1個MSS的方法，使得源端cwnd按線性規(guī)律緩慢增長，擁塞避免算法下的窗口增長速率比慢啟動算法的擁塞窗口增長速率慢得多。

擁塞避免時間=K×R （2）

其中，K為窗口增長速度，R為往返時延。假設網(wǎng)絡最大擁塞窗口為128個MSS，如果發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，擁塞窗口減小到64，如果以距地36 000 km地球同步衛(wèi)星通信信道為例，要恢復到最大發(fā)送窗口，就必須連續(xù)正確接收到64個MSS，需要的恢復時間為64×480 ms=30.7 s，可見長時延的嚴重影響到衛(wèi)星傳輸性能。

慢啟動和擁塞避免算法在TCP擁塞控制策略中是配合使用的，從上文舉例中，可以看出衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的高時延點條件下，TCP不能保持較大的擁塞窗口，當產(chǎn)生擁塞時，TCP的慢啟動和擁塞避免算法中的窗口調節(jié)機制需要較長的恢復時間，網(wǎng)絡吞吐量會變化劇烈，不能有效利用帶寬，嚴重影響網(wǎng)絡資源的利用率。

在重傳機制中，TCP每發(fā)送一個報文段MSS，就對這個報文段設置一個計數(shù)器。只要到了計數(shù)器設置的重傳時間還沒有收到確認信息，就要重傳這段報文。重傳機制的指標主要是由超時重傳時間來衡量的。在重傳機制中超時重傳時間（Retransmission Time-Out，RTO）由往返時延RTT估算決定。可見，RTT對重傳機制也存在影響，若考慮到數(shù)據(jù)發(fā)送時延、處理時延和排隊時延，RTT將會更大。

另外，由于有些衛(wèi)星是非對地靜止的，即離地距離在不停的變化，因此對于此類衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的RTT值也是不停變化的，加之長時延、高誤碼率使得TCP更加無法正確的估算RTT。

此外，TCP采用大小可變的滑動窗口進行流量控制，將網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)分組數(shù)量維持在一定水平下。TCP窗口大小限制了網(wǎng)絡吞吐量，TCP的發(fā)送窗口尺寸最大限制為65535Byte，而衛(wèi)星信道過大的帶寬時延積BDP（Bandwidth-Delay Product）也對網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸性能產(chǎn)生影響。

3試驗分析

為驗證衛(wèi)星通信對TCP的影響，利用民航KU衛(wèi)星網(wǎng)256 Kbps專線和基于IP的2臺H3C3060路由器，搭建一個簡單的基于PPP協(xié)議的點對點實驗網(wǎng)絡。利用訊雷軟件下載其中一臺3060的main.bin文件，下載速率最大只能達到11.8 KByte/s，而理論最大下載速率為32 KByte/s。

結果顯示，由于存在衛(wèi)星傳輸時延和傳輸誤碼率，衛(wèi)星通信常用的時分多址（TDMA）接入技術的吞吐量只有普通以太網(wǎng)的三分之一。如果考慮到高時延引起的TCP的慢啟動和擁塞避免以及802.3幀頭和PPP協(xié)議開銷對傳輸效率的影響，那么傳統(tǒng)的TCP在高時延的衛(wèi)星傳輸鏈路上的傳輸效率很低。

4結語

衛(wèi)星通信在維護空中交通管制安全運行、促進國民經(jīng)濟發(fā)展等方面有著舉足輕重的作用，如何保證在衛(wèi)星通信中進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸和提高傳輸效率成為目前重要的研究課題。衛(wèi)星網(wǎng)絡本身有高誤碼率、長傳播延時、帶寬不對稱等特點，這些特點使傳統(tǒng)的TCP協(xié)議在復雜的通信環(huán)境中的傳輸性能遠不及有線網(wǎng)絡中的傳輸性能。增強衛(wèi)星網(wǎng)絡環(huán)境中TCP性能，許多學者和研究機構提出了不同的技術解決方案，包括延時應答、多個流共享參數(shù)、使用TCP代理等等。

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