卫星信道tcp改进_网络协议工程作业

1、网络协议工程作业蒋海军第二章讨论题：2-3.TCP协议在卫星链路中的改进解答：一、背景分析：在传统网络的通信中，TCP传输控制协议自1981年提出后，得到了广泛的应用，并与IP协议一起，构成了因特网协议体系的核心。TCP协议内部的拥塞控制算法在有线网络环境中能够有效提高网络传输效率，并防止网络崩溃。但该算法的基本前提是假定链路相当可靠，报文的丢失或延迟是由于网络拥塞所致。而在卫星网络环境中，报文的丢失或延迟，很大程度上是由于卫星网络链路本身的特点，例如高误码率、长传播时延、高带宽时延积等因素造成的。这使得传统TCP协议在应用到卫星链路时的性能不够理想。因此，若要使TCP在卫星网络环境中仍能保持

2、较高的性能，就必须改进原有的传输控制协议，使其适应卫星信道这个特殊的链路环境。二、传统TCP协议的特点 TCP协议拥塞控制的主要机制由慢启动和拥塞规避、快速重发和快速恢复策略组成（一）慢启动和拥塞规避策略根据TCP协议，发送端在建立连接后和错误恢复时使用慢启动来确定发送速率，并用“拥塞窗口”来控制速率。在慢启动过程中，发送端每接收到一个应答就将拥塞窗口增加一倍，直到拥塞窗口达到慢启动门限为止。不难看出慢启动时间随信道延时线性增加。而慢启动时间越长，TCP的传输效率越低。“慢启动”过程中另一个造成信道传输能力浪费的因素是延迟应答。因为慢启动过程中发送端接收应答越快，拥塞窗口增加得也就越快，而延迟

3、应答减少了应答的数量和速度。在“慢启动”结束后“拥塞规避”策略开始工作。在这个阶段，“拥塞规避”策略将以更加缓慢的速度增加“拥塞窗口”尺寸。在这个期间，每接收到一个确认数据包，拥塞窗口增加的长度为当前“拥塞窗口”长度的倒数。（二）快速重发和快速恢复策略当TCP连接发生数据帧传输错误或者次序错误时，发送端将启动快速重发和快速恢复策略。这些策略在纠正错误和恢复传输的同时不需要过度减小发送窗口。接收端在接收到错误数据时向发送端重复应答。如果发送端收到3个重复的应答，就启动快速重发策略重发丢失的数据。在此之后，进入快速恢复阶段。在这个阶段，接收端对接收到的每个重发数据帧重复应答。发送端接收到重复应答后

4、认为重发成功，开始发送新的数据，进入正常传输状态。快速重发的设计思想是，如果收到重复应答，表示数据帧能够通过网络传输到接收端，网络没有发生拥塞，因此不需要进入慢启动过程和减小信息传输速率。三、传统TCP协议在卫星链路上运行时遇到的主要问题TCP在应用于卫星网络环境时，所面临的是与传统有线网络截然不同的网络环境。其在卫星网络中所面临的挑战。主要有以下几个方面：（一）链路误码率高。卫星链路比地面有线链路具有更高的误码率。而且常会受到射线、雨衰等自然条件随机因素造成突发错误。TCP最初是按照链路误码率相对较低这种假定来工作的，即认为由链路误码造成的分组丢失可以忽略不计，若有分组丢失则说明链路上发生了

5、拥塞。而在卫星网络环境下分组的丢失基本上都是由于链路误码引起的，TCP无法区分是拥塞丢包还是链路恶化丢包，会默认的认为是出现了拥塞故障，并自动采取拥塞控制机制，从而降低了TCP对网络可用带宽的利用率。（二）往返时延(RTT)大。往返时延是指从发送一个TCP数据包到收到该数据包的ACK确认包所经历的时间间隔。主要由传播时延、传输时延和排队时延组成。例如在GEO系统中，往返时间为540ms，这样大的延时使TCP的慢启动花费很长的时间。拥塞控制等机制也要花费好几个往返时间，无法高效率的运作。（三）高带宽时延积(BDP)。卫星链路中的高时延现象也是造成网络带宽时延积（BDP，信道延时与带宽乘积）比较大

6、的主要原因。TCP传输的最大速率为：。为了有效地利用有限的卫星带宽资源，TCP数据发送窗口必须达到一个较大值。但是，以大窗口发送数据不仅使TCP在拥塞阶段容易丢失更多的数据包，还使同一连接上丢失多个数据包的几率大大增加。综上所述，由于卫星无线信道所具有的高误码率、大传播时延、高带宽时延积等特性，使得地面传统的TCP协议很难在卫星网络中体现出其优越性，因此本文基于这个问题，提出了使用带宽估计技术来改进卫星网络中的TCP协议，使得TCP协议能够更好的应用于卫星无线信道中。四、TCP协议在卫星链路上的改进方案TCP协议在卫星链路上的改进方案可以分为两类：一类是保持TCP的基本算法，通过优化参数和加入

7、一些可选的增强机制来改善TCP在无线网络和同步卫星中继网络中的性能；另一类是针对网络特点和所存在的问题，对TCP协议拥塞控制算法进行相应改进或设计新的算法。（一）参数优化和增强机制选项，包括修改以下参数：1.增大初始窗口。如果使用较大的拥塞窗口初始值，就可以提高TCP连接建立初期时的吞吐量，缩短TCP加速所用的时间，有利于克服长时延、大带宽时延积对TCP拥塞控制带来的不利影响。2.窗口扩展。TCP窗口大小最早为16bit，在大带宽时延积的同步卫星中继网络中，这个值不足以使TCP充分利用链路带宽。RFC1323将窗口扩展为32bit，能够避免cwnd的大小成为制约吞吐量的瓶颈。3.时间戳。采用时

8、间戳选项能够区分TCP包的发送时间，有利于在大带宽时延积的同步卫星中继网络中使用窗口扩展后TCP包序号的重用，避免发生混淆。4.路径最大传输单元（MTU）发现。RFC1191中的路径最大传输单元发现机制允许TCP探测以及使用路径中最大可用的数据包尺寸，而避免使用IP分段。这样可以避免分段和重组的开销，而较大的数据包尺寸又有利于提高传输效率和加快TCP发送速率的增长。5.T/TCP（TCP for Transaction）。RFC1644提出减少TCP建立连接时的握手次数，以此缩短TCP连接建立所用的等待时间。这种机制对于同步卫星中继网络长时延条件下，数据量较小的传输业务作用尤为明显。6.选择确

9、认（SACK）。选择确认是针对TCP协议中的累积确认机制而提出的。它使得接收方能告诉发送方哪些报文段丢失，哪些报文段重传了，哪些报文段已经提前收到等信息。根据这些信息TCP就可以只重传哪些真正丢失的报文段。选择确认可以进行有选择地确认和重传，使发送端只重传那些确实丢失的数据包，避免对已经接收的数据包进行不必要的重传，从而提高TCP性能。在同步卫星中继网络中，由于TCP发送窗口较大，而链路可靠性低，同一窗口内丢失多个数据包的概率相对较高。使用选择确认可以在一定程度上改善 TCP 在长时延网络中的性能。（二）对TCP协议算法的改进近年来，针对同步卫星中继网络长时延、高误码率等特点，国内外专家和学者

10、提出了很多TCP协议的改进方法。1. 空间通信协议标准-传输协议（SCPS-TP）SCPS-TP可以根据实际应用情况，选择不采取拥塞控制，即在外部提供拥塞避免保证。如在为传输业务连接保留带宽的情况下，使用指定的发送速率，将丢包原因判断为链路错误，这样就不会因为丢包而减小发送速率。SCPS-TP使用拥塞控制时，可以选择使用标准TCP拥塞控制机制或TCPVegas。TCPVegas可以估计网络的有效带宽，不会连续增大cwnd，而是通过比较实际吞吐量和期望吞吐量来检测拥塞程度。当实际吞吐量和期望吞吐量的之间的差值超过设定门限时，TCPVegas就减小发送速率；如果差值是可接受的，则按常规方式增大发送

11、速率。因此，TCPVegas的发送速率能保持在最佳速率附近，而不会大幅震荡。2.卫星传输协议（STP）与TCP类似，STP提供的是可靠的、面向连接的数据传输服务。它放弃使用TCP中的肯定确认ACK，采用的是选择否定确认，并且没有设置重传计时器。STP是卫星的专用协议，只能用于TCP分割结构中，在性能增强代理PEP之间使用。3.TCP-PeachTCP-Peach是针对长时延网络提出的一种拥塞控制策略。它使用了两个新的算法：突发启动和高速恢复，分别取代传统TCP中的慢启动和快速恢复算法。TCP-Peach的算法思想如下：针对长时延对传输效率的影响，通过快速发送较多的虚报文段，来更快地获得确认AC

12、K，从而加快TCP启动和重传后的恢复速率。在这里，虚报文段指的是由发送端产生的优先级较低的数据包。对接收端来说，虚报文段不包含任何新的信息。TCP发送端使用虚报文段来探测可用网络资源。4.明确拥塞指示（ENC）明确拥塞指示在拥塞造成数据丢失前通知TCP发送端网络即将发生拥塞。让发送端减小发送速率。从而达到对拥塞进行控制的目的：它有两种实现方案BENC（后向ENC）和FENC（前向ENC）。在BENC机制中。路由器直接给数据发送端发送消息通知它网络拥塞。在FENC机制中，路由器在拥塞即将发生时在收到的数据帧中放一个标志。转发这个数据帧。数据接收端收到这个数据帧后通过应答通知发送端网络即将拥塞。路由器是通过检测队列是否将溢出来判断网络是否即将拥塞的。5.多个数据连接（MDC）卫星信道中单个TCP连接的速率很低。一个很直观的解决办法就是使用多个连接来传送一个文件。从而达到提高信道带宽利用率的目的。这就是MDC。它的优点是：使用多个连接能加快慢启动、拥塞恢复的速度。但也给网络带来不稳定因素。因为它的发送过程过于主动。发送窗口增加得过快。6.TCP头压缩（THC）TCP头压缩就是将TCP/IP头信息进行压缩从而提高传输效率。在TCP/IP头中有很多域在一个连接中是不变或很少变化的，或者可以从别的途径获得。如