寬帶GEO網絡移動的TCP協議性能研究

王志軍，劉瓊俐，白旭平，逯美紅

(①太原理工大學 信息工程學院, 山西 太原030024;②長治學院電子信息與物理系，山西 長治 046011;③太原衛星發射中心，山西 岢嵐 036301)

0 引言

隨著移動網際協議（IP，internet protocol）技術的迅速發展，單個節點的移動通信技術已經逐漸成熟[1-2]，但諸如飛機、火車、輪船這樣的大型移動平臺可能會攜帶一個或多個局域網（LAN，local area network），在其移動過程中，也會改變到地面骨干網（如互聯網）的接入，這就需要解決一個網絡移動性問題。利用寬帶多媒體衛星傳輸信息可以提供足夠的帶寬，更大的覆蓋范圍[3]，并且能夠為處于移動網絡內的用戶提供更加有效的服務。

1 網絡移動的概念和模型

網絡移動[4]是指一個移動 IP網絡（如一個LAN）能夠在保證通信連接不中斷的條件下，改變到一個IP骨干網（如互聯網）的連接點。在一個移動IP網中，包括至少一個移動路由器，它位于移動IP網絡的邊緣，負責把移動網絡連接到IP骨干網?？梢岳渺o止軌道寬帶多媒體通信衛星來為移動平臺上的通信子網提供互聯網接入，系統模型如圖1所示。

圖1 基于GEO衛星移動通信的網絡移動系統模型示意

其中，主要包括以下4個功能實體[5]：

1）移動主機（MH，Mobile Host）：可以將其互聯網接入點從一個網絡切換到另一個網絡，仍然保持所有正在進行的通信。

2）移動路由器（MR，Mobile Router）：將移動式網絡接入互聯網的邊緣路由器，它至少有兩個接口，一個外部接口和一個內部接口，是互聯網固定網絡和移動式網絡之間路由數據報文的網關。

3）家鄉代理（HA，Home Agent）：是移動節點或者移動路由器家鄉網絡上的一個路由器，當移動網絡離開家鄉網絡時，它能更新和保存MR或MN當前的位置信息，并把數據包轉交給MR或MN。

4）外地代理（FA，Foreign Agent）：移動網絡所訪問的外地網絡上的一個路由器，主要在外地網絡中幫助移動節點實現移動管理功能。

實現網絡移動通信單純靠移動IP協議是不行的，必須對現有的移動IP協議進行改進，一方面，移動IP主要通過MR、HA及FA 3個功能實體來實現，移動網絡中的節點不再參與移動IP協議的執行。移動路由器在移動過程中能夠改變網絡接入點，和普通路由器一樣，它需要具有多個轉發端口，能夠動態更新路由，轉發數據包；同時，它又要能夠執行單個節點的移動IP協議，并具有數據包封裝和解封的功能。另一方面，由于移動節點并不參與注冊過程，FA就不會包含移動節點的注冊信息，因而需要將移動路由器作為移動節點的外部代理在HA處進行注冊，這樣發往移動節點的數據包被HA截獲后會首先進行HA到MR的封裝，再進行HA到FA的封裝，那么在FA解封裝之后，即可根據注冊信息將數據包轉發給移動路由器，由移動路由器去除HA到MR封裝后交給移動節點。

文中主要以 IPSTAR寬帶衛星移動通信系統為例，模擬網絡移動的通信過程，特別是對移動網絡離開家鄉網絡進入外地網絡時TCP協議的性能進行研究。IPSTAR[6]（120°E）是一個區域衛星系統，其Ku波段和Ka波段波束可以覆蓋亞太地區22個國家。在中國全境實施寬帶業務需要三個信關站，分別在北京、廣州和上海。

在圖2中[3]，波束1是以北京信關站作為代理的點波束，波束2是以上海信關站作為代理的點波束。假設一架具備網絡移動功能的飛機從北京飛往上海，飛機上載有一個移動路由器和若干可移動節點，地面某通信終端不斷向飛機上一點發送TCP數據流，在P點完成家鄉代理和外地代理的切換。在網絡移動模型中，IPSTAR采取透明轉發機制，實現飛機和地面信關站之間的通信。

圖2 IPSTAR衛星點波束覆蓋

2 衛星網絡移動通信對TCP協議的影響

TCP協議通過滑動窗口（發送端的擁塞窗口和接收端的通知窗口）、序號和確認、超時重傳等技術，實現了端到端的流量控制、端到端的擁塞控制和差錯控制，是面向連接和可靠的運輸層協議[7]。它最初是針對地面網絡的信息傳輸而建立的，相對地面通信網，寬帶衛星移動通信網絡又有著一定的特殊性，給TCP協議帶來了一定的影響[8]。如：信道傳播中的各種隨機因素（如雨衰、多徑衰落和切換等）都會造成信道的突發錯誤，導致數據分組在衛星信道上的丟失，即使沒有網絡擁塞出現，也會觸發TCP協議的擁塞控制機制。此外，衛星移動通信信道具有較大的、可變的分組往返時延、頻繁的切換、上/下行信道速率不對稱及信號衰落等特點，這些特點使得基于衛星移動通信的移動網絡的TCP協議性能受到較大影響。

3 切換過程中的TCP協議性能仿真

當移動網絡由一個網絡接入點改接到另一個接入點（可能同屬一個子網，也可能分屬不同的子網）時，需要進行數據鏈路層的切換。這一層的切換過程是根據各個子網所使用的底層通信技術的不同而不同的。在鏈路層切換完畢后，才會進行IP層的切換，也就是移動IP的切換。從移動網絡離開原先的外地網絡開始，到HA接收到移動網絡的新的注冊請求為止的這段時間內，由于HA不知道最新的外地代理轉交地址，所以它仍然將屬于MH的IP包通過隧道發送到原先的外地網絡，導致這些IP包被丟棄，使得移動網絡與通信對端間的通信受到影響，特別是當切換頻繁或者距離很遠時。

整個切換過程分為2個階段：

1）移動檢測階段：移動網絡需要進行移動檢測以判斷自己是否更換了接入的子網，這段時間稱為移動檢測時延。

2）重新注冊階段：移動網絡判斷出發生移動之后，向HA發送注冊請求，到HA收到請求為止的這段時間，其長短取決于移動網絡到HA的距離。

圖3和圖4(a)、圖4（b）圖中，TCP擁塞窗口閾值設置為20，數據包為1 000 byte；圖4(c)、圖4(d)圖中，TCP擁塞窗口設置為4，數據包為500 byte。圖3中，信道帶寬為512 kb/s；圖4中增大為2 Mb/s。

圖3 信道帶寬為512 kb/s時的時延、吞吐量的變化

圖4 信道帶寬為2 Mb/s時時的時延、吞吐量的變化

從圖中可看出，當移動網絡在家鄉網絡和外地網絡之間切換時，TCP協議表現出如下特點：

1）發送方數據報文段大小和擁塞窗口閾值大小不變時，吞吐量隨著信道帶寬的增大而增大，但不會無限增大，由于系統最大吞吐量=窗口大小/RTT，會逐漸接近GEO系統的門限值；時延隨著帶寬的增大而減小，時延抖動也隨著減小，因此，信息速率的增大會使TCP傳輸的信道利用率更高，系統的性能更加穩定。

2）當信道帶寬較小時，較大的擁塞窗口和數據包大小會帶來時延抖動的增大和吞吐量的降低，吞吐量隨時間波動也較大。因此，較大的擁塞窗口和數據包長度不適用于窄帶業務。此時，從家鄉代理切換到外地代理會經過較長時間的慢啟動階段。

3）吞吐量跟時延的曲線存在一一對應關系，若某一時刻時延增大，則必然存在吞吐量的降低，同樣，大帶寬系統較穩定時，時延抖動較小，吞吐量取值也較為平坦。

衛星鏈路的大時延使得TCP要花費很長的時間用于慢啟動，擁塞控制機制也無法高效運作。由于使用自由空間進行信息傳輸，衛星信道還有著較高的突發錯誤，容易受到天氣等自然因素的影響。不斷增大系統的丟包率以模擬衛星的信道高突發錯誤，擁塞窗口會有較劇烈的變化。

在TCP協議中，發送窗口的值一般是在連接建立時由收發雙方商定而成的，具體可表示為下面的形式：

發送窗口 = Min [擁塞窗口，通知窗口]。其中，擁塞窗口為發送端根據網絡擁塞情況設置的窗口大小；通知窗口為接收端根據自身的數據接收情況反饋給發送端的窗口大小，最終進行TCP協議傳輸過程中的窗口大小是取兩者之間的最小值。在利用面向對象的網絡仿真器（NS，network simulator）進行仿真過程中，通知窗口是一個固定值，即所設置的擁塞窗口閾值大小是無法改變的。因此，我們可以通過觀測發送端擁塞窗口大小的變化，判斷網絡的擁塞情況。當信道帶寬取2 Mb/s的固定值，接收端的通知窗口設置為20，數據包為1 000 byte時，發送端擁塞窗口（CWND，congestion window）的大小變化如圖所示。

假設網絡情況較為理想沒有丟包，窗口變化情況如圖 5(a)所示，當擁塞窗口小于設定的窗口閾值20時為慢啟動階段，其大小隨時間變化為1，2，4，8，16，呈指數增長；若大于閾值 20，則進入擁塞避免階段，擁塞窗口將隨著發送數據包的數目線性增長，由于網絡情況較理想，而且帶寬值較大，擁塞窗口大小可以一直增長到140以上。但實際中發送數據包的窗口只能達到20，即擁塞窗口和通知窗口兩者中較小的一個值，CWND的大小只反應了網絡的擁塞程度。270秒左右，移動網絡處于家鄉代理和外地代理的邊界，發生切換現象。移動網絡漫游出家鄉網絡，需要向外地代理重新進行注冊，這段時間內，移動節點不在家鄉網絡內，導致經家鄉代理轉發的數據包無法送達移動節點。接收節點認為數據包發送超時，當移動網絡在外地網絡注冊成功后，閾值被重新設置，擁塞窗口被置為 1MSS，再次進入慢啟動階段。

圖5 改變丟包率時擁塞窗口的變化

當信道條件惡化，丟包率逐漸增加時，比較圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)可以看出，慢啟動后的擁塞避免階段時間開始縮短，窗口不斷由一個較大的值下降為1（由于仿真過程中采取的是TCP Tahoe版本，不管發生哪種情況的擁塞都會將窗口降低為 1MSS）。擁塞窗口所能達到的最大值也隨著丟包率的增大而下降。特別當移動網絡處于外地代理網絡時，由于通信對端CN發送的數據包首先傳送給HA，HA將數據包封裝后發送給FA，再由FA轉發給移動網絡，從而更增大了數據包丟失的概率，從曲線圖上看，窗口的峰值更小，窗口大小直線下降的事件更頻繁，即TCP協議的擁塞控制協議的啟動更頻繁（TCP協議認為所有的丟包都是由于網絡擁塞引起的，一旦出現丟包就開始減小發送窗口，啟動擁塞控制機制）。當丟包率大到0.2時，擁塞窗口CWND的最大值只有25左右，反映出網絡的傳輸效率大大降低。

4 結語

在基于衛星的網絡移動的通信過程中，由于切換現象的存在，會造成TCP數據包的暫時丟失，發送方會啟動擁塞控制機制進行包的重發，當切換到外地網絡后，吞吐量也會有所降低并表現的不穩定，這些與GEO衛星信道的大時延、高丟包率有著很大關系。當信道帶寬變大時，這種狀況會有所改進。在寬帶多媒體衛星移動通信中，由于系統允許信息傳輸具有較大帶寬（IPSTAR中可以達到2 Mb/s），TCP傳輸的吞吐量和時延表現的較為穩定，因此，在基于寬帶多媒體衛星的網絡移動通信中實現TCP數據的傳輸具有一定的可行性。

[1] 王軍選.未來移動通信系統及其關鍵技術平[J].通信技術,2009,42(09):142-147.

[2] 彭小平.淺析移動通信技術的演講[J].通信技術,2007,40(06):16-18.

[3] 魏巍，郭慶.GEO區域覆蓋衛星移動通信系統及其關鍵技術[J].通信技術,2007,40(04):45-48.

[4] LACH Hong-yon, JANNETEAU C, PETRESCU A. Support of Mobile Networks in Beyond-3G Systems[J].Communication Technology Proceedings, 2003(02):1381-1383.

[5] DEVARAPALLI V, WAKIKAWA R, PETRESCU A,et al.Network Mobility (NEMO) Basic Support Protocol[S].[s.l.]:IETF, 2005.

[6] 司馬杭仁.寬帶衛星“iPSTAR”覆蓋亞太22 國[N].大眾科技報，2005-07-14（第A04版）.

[7] KUROSE J F, ROSS K W. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet [M].Boston: Addison Wesley, 2002:784.

[8] Craig Partridge, Timothy J.Shepard, BBN Technologies. TCP/IP performance over satellite links[C]. USA:IEEE, 1997, 11:44-49.