LEO卫星网络中TCP协议性能研究

1、第 36 卷 Vol.36 第 14 期 No.14 计 算 机 工 程 Computer Engineering 文章编号：10003428(201014009603 文献标识码：A 2010 年 7 月 July 2010 中图分类号：TP393 ·网络与通信· LEO 卫星网络中 TCP 协议性能研究 刘光华，王 辉 (河南科技大学电子信息工程学院，洛阳 471003 摘 要：在低地球轨道卫星网络中，星地切换会造成数据包丢失，导致应用于地面有线网络中的 TCP 协议产生盲目快速重传，从而削弱 TCP 协议性能。针对该问题，在异构网络边界处加入性能增强代理模型，通过阈值

2、调节发送速率，屏蔽切换对源端的影响。理论分析和仿 真实验表明，在不同误码率情况下，该方法的平均吞吐量优于常规 TCP，可避免短时间内由连续切换和误码造成的 TCP 性能下降。 关键词：低地球轨道卫星；切换；TCP 协议；性能增强代理 Research of TCP Protocol Performance in LEO Satellite Network LIU Guang-hua, WANG Hui (Faculty of Electronic Information Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoya

3、ng 471003 【Abstract】In Low Earth Orbit(LEO satellite network, channel handover between satellite and ground causes packets loss to make TCP protocol applied in wired network blindly to generate fast retransmission and weaken the performance of TCP protocol. Aiming at this problem, this paper adds Pe

4、rformance Enhancing Proxy(PEP model in heterogeneous network, PEP shields the channel switching effect to the source by changing the value of watermark. Theoretical analysis and simulation experiment show that this method brings higher throughput than common TCP with different error rate, and it can

5、 avoid the TCP performance decreasing caused by continuous channel switching in short period. 【Key words】Low Earth Orbit(LEO satellite; handover; TCP protocol; Performance Enhancing Proxy(PEP 1 随着通信技术的发展，卫星网络越来越多融入到现代通 信系统中，用于网络通信的卫星种类主要有地球同步轨道 (Geosynchronous Orbit, GEO卫星、中地球轨道(Middle Earth Orbit,

6、MEO卫星和低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO卫星。 LEO 卫星网络系统由多颗低轨道卫星组成，位于离地球表面 较近的低空范围可以覆盖包括两极在内的全球地表，以较小 的功耗进行全球范围的网络通信。 广 泛 应 用 于 Internet 的 传 输 控 制 协 议 (Transmission Control Protocol, TCP1最初是为有线网络设计的，即假定应 用在带宽时延乘积较小和信道误码率很低的网络环境中。在 卫星网络中无线链路方式、链路差错、阴影效应会引起数据 包的丢失，星地之间的频繁切换、卫星网络拓扑结构快速变 化，终端之间通信路径改变都会导致延时变化，这些都会

7、对 TCP 协议造成不利影响。本文在研究 TCP 协议和 LEO 卫星 网 络 特 性 的 基 础 上 ， 利 用 性 能 增 强 代 理 (Performance Enhancing Proxy, PEP模型分析 LEO 卫星网络中影响 TCP 性 能的因素。 概述 点波束或卫星转移到新的点波束或卫星称为切换 2 ，经历切 换的连接称为切换连接，新的请求获得通信服务的连接称为 新连接。 由图 1、图 2 可以看出，LEO 卫星网络中的切换会引起 数据包失序 3。 图1 T1 时刻由地面终端和 4 颗卫星组成的通信路径 2 在 LEO 卫星系统中， 每颗卫星的覆盖域由更小的点波束 (spotb

8、eam覆盖域组成，以达到覆盖域中的频率复用，如铱星 系统每颗卫星的覆盖域是直径为 4 021 km 的区域，它包含 48 个直径为 700 km 的点波束覆盖域，卫星绕地球运行导致 其相应的覆盖域不断变化，对于地面的固定地点，每个 LEO 卫星的最大可见时间典型值大约是 8 min11 min，每个点波 束的最大可见时间典型值大约是 1 min2 min， 地面节点连续 通过不同可见点波束或卫星获得通信服务，通信连接从一个 96 LEO 卫星网络切换对 TCP 性能的影响 图2 T2 时刻由地面终端和 4 颗卫星组成的通信路径 基金项目：河南省自然科学基金资助项目“基于 TCP 的异构网络智

9、能网关模型研究及仿真平台开发”(2009A520011 作者简介：刘光华(1984，男，硕士研究生，主研方向：网络性能 优化；王 辉，教授 E-mail：liuguanghua001 收稿日期：2010-02-03 在图 1 中，接收端准备从卫星 LEO1 切换到 LEO2，在 图 2 中，接收端与发送端之间的路径从 4 颗卫星变为 3 颗卫 星。由于切换后的通信路径变短，因此后续的数据包会比先 发出的数据包提前到达目的端， 时刻编号为 4, 5, 6 的数据 T2 包早于编号为 1, 2, 3 的数据包到达接收端。在接收端接收到 编号为 1 的数据包前，每收到一个数据包会向发送端回复一 个复

10、制的 ACK(1报文，请求对数据包 1 进行重传。当探测到 这种重复请求大于等于 3 时，根据 TCP 拥塞控制认为编号为 1 的数据包由于拥塞丢失，启动快速重传机制，重传编号为 1 及其后面的所有数据包，同时把当前的拥塞窗口减半。拥塞 窗口的大小代表发送端一次可以发送的数据总数，发送端通 过减小拥塞窗口避免网络中不存在的拥塞，降低了网络的吞 吐量。 通过 PEP 原理可以得知 PEP 对接收到数据包的控制机 制，即所有从源端发往目的端的数据包都要经过 PEP，再由 PEP 转发到目的端，而目的端返回的 ACK 报文要经过 PEP， PEP 再对 ACK 做丢弃或者发送到源端处理。 为了应对

11、LEO 卫星网络中切换对 TCP 造成的影响， PEP 的策略是屏蔽切换对源端造成的影响。丢包的具体处理过程 如下： 步骤 1 显示 PEP 缓存正常接收到源端发来的数据包后， 并向源端发送提前应答， 将序列号 17 的数据包发往目的端， 等待目的端确认，此时 PEP 缓存区的占用情况如下： 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 3 3.1 基于 PEP 模型的切换应对 PEP 原理 PEP 被设置在异构网络边界处的路由器上 4-5， 对在不同 结构的 2 个网络中传输的数据分别进行处理。在 PEP 的内部 结构中设置了 2 类先进先出的缓存：(1存储发送缓存(Store an

12、d Forward buffer, SF buffer用来存储发送方发送给接收方 的所有数据；(2PEP 缓存(PEP buffer控制向发送方发送提前 应答(Premature ACK的数量，并负责重传部分在 D-Net 端丢 失的数据包。PEP 路由器内部结构如图 3 所示，其中，S-Net 和 D-Net 分别代表源端和目的端网络；提前应答表示当智能 网关收到一个从发送方发往接收方的数据包时，它将这个数 据包转发给接收方，同时代替接收方提前向发送方返回这个 数据包的应答；阈值是为了控制提前应答的数量，在本地缓 存中设置这个极限值，位于该阈值右边的数据包可以发送提 前应答，左边的将不发送提

13、前应答。 步骤 2 显示数据包 1 由 PEP 发往目的端后， 由于切换造 成丢失，目的端返回给 PEP 3 个重复的 ACK(1(对序列号(X 以前的数据包进行确认，并希望得到序列号为(X的数据包， 本例 X=1，PEP 端启动快速重传和快速恢复，对数据包 1 进 行重传，此时 PEP 缓存区的占用情况如下： 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 步骤 3 显示目的端接收到数据包 1 后，返回 ACK(7， 对前 7 个数据包进行确认，同时删除 PEP 缓存中序号为 17 的数据包，此时 PEP 缓存区的占用情况如下： 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 步

14、骤 4 序号为 812 的数据包向右移动，向目的端发送 的同时向源端发送提前应答，这时源端向 PEP 发送序号为 1317 的数据包，序号 1314 仍然在阈值的右边，继续向目 的端发送序号为 1314 的数据包， 同时向源端发送提前应答， 源端接着发送序号为 1819 的数据包到 PEP，此时 PEP 缓存 区的占用情况如下： 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 图3 PEP 路由器内部结构 PEP 监控通过它的所有 TCP 链接中的数据包并对它们进 行确认，具体执行过程如下： (1当 PEP 从 S-Net 中的源主机端接收到一个数据包后， 将它转发给 D-

15、Net 中目标主机，同时将它备份到 PEP buffer 中以备该数据包的重传(如果该数据包丢失，然后发送一个 提前应答给源主机以代替目标主机发送给源主机的应答，源 主机接收到该提前应答后继续发送新的数据包，这样就缩短 了往返时延(Round-Trip Time, RTT，增加源端发送数据包的 数量，从而提高数据吞吐量。 目 (2当 PEP 转发给目标主机的数据包到达目标主机后， 标主机会产生一个真实应答(Real ACKnowledge, Real ACK。 PEP 根据接收到的这个 Real ACK 信号决定是否删除 PEP buffer 中的备份数据包，如果数据包被目标主机正确接收， 则

16、删除 PEP buffer 中对应 Real ACK 的数据包备份， 否则 PEP 将重传丢失的数据包。 3.2 具体处理过程 由以上 4 个步骤显示的数据包传输过程中的 PEP 缓存区 的占用情况可以看出，119 是数据包的序号，阈值=7(PEP 缓存占用情况中数字 7 右边加粗的直线，假设数据包 1 在 PEP 到目的端由于切换造成丢失，源端发送速率是受 PEP 中 阈值调节，没有受到切换造成发送窗口减半的影响。当切换 造成数据包乱序或丢包时，通过阈值调节发送速率，发送窗 口没有减半，而是在最近几个 RTT 周期里使发送速率变小， 一旦丢包恢复后， 发送速率又返回到很高的值。 通过加入 P

17、EP 模型，实现在异构网络中当出现切换而造成数据包丢失时适 当改变发送窗口大小的策略。 4 仿真平台的搭建和仿真过程 LAN-LEO 互联模型如图 4 所示。 图4 LAN-LEO 互联模型 为了验证本文提出性能增强代理在 LEO 卫星网络中的 有效性，使用 NS26-7仿真工具。NS2 是一个面向对象的仿真 器，它使用 Node, Agent, classifier, Link, Packet 等对象仿真一 97 个网络。Node 对象仿真网络节点、classifier 对象仿真节点的 路由、Agent 对象仿真网络协议的基类、Link 对象仿真链路、 Packet 对象仿真数据包，并且公开

18、源代码，开放性很好。 在 NS2 中的仿真过程如下： 每一 (1地面有线网络 A 和地面有线网络 B 的参数相同， 节点列表在变量$nodelist 中存放。 个有线网络包含 3 个节点， 局域网采用带宽为 10 Mb/s、时延 1 ms、队列类型为丢尾队 列、MAC 层为 CSMA/CD 协议。在 NS2 中的 tcl 仿真脚本 如下： set lan $ns make-lan $nodelist 10Mb 1ms LL Queue/DropTail Mac/Csma/Cd Channel 图5 误码率为 0.000 1 时的吞吐量 (2卫星网络采用 LEO 近轨道卫星链路， 采用模拟 Ir

19、idium 卫星系统。Iridium 卫星系统有 6 个卫星轨道平面，每个轨道 上运行 11 颗卫星，地球表面上空共有 66 颗卫星，其轨道高 度为 780 km，轨道面倾角为 86.4°，在仿真中，其上行链路 和下行链路的带宽均设置为 10 Mb/s，星间带宽为 35 Mb/s， 链路队列大小为 50，队列类型同样采用丢尾队列，基本参数 配置在 NS2 中的 tcl 仿真脚本如下： set opt(chan Channel/Sat set opt(bw_down 10 Mb; #下行链路带宽 set opt(bw_up 10 Mb; #上行链路带宽 set opt(phy Phy/

20、Sat set opt(mac Mac/Sat set optsat(wiredRouting ON set opt(ifq Queue/DropTail; #丢尾队列 set opt(qlim 50; #链路大小为 set optsat(alt 780 ; #卫星轨道高度 set optsat(inc 86.4; #轨道面倾角 $ns node-config -satNodeType polar set n15$ns node; $n15 set-position $alt $inc 31.6 16.36 $plane #定义其中 n15 卫星节点及位置，其他卫星节点类似 $ns node-

21、config-satNodeType terminal; set n100$ns node; set n101$ns node $n100 set-position 37.9-122.3 $n101 set-position 42.3-71.1 #定义地面终端 n100, n101 节点及位置 (3从有线网络 A 到智能网关和从智能网关到有线网络 B 均采用时延为 5 ms 和带宽为 20 Mb/s 的链路。 图6 误码率为 0.000 05 时的吞吐量 6 针对低轨卫星的特点， 研究 LEO 卫星网络中切换和误码 对 TCP 的影响，基于 PEP 模型提出的由有线网络、PEP 和 LEO 卫

22、星网络构成的具有传输控制功能的互联模型验证了本 文方法可改善 LEO 卫星网络下 TCP 的传输性能。下一步工 作是将 PEP 模型应用于整个无线网络环境中进行仿真实验。 参考文献 1 Postel J. Transmission Control ProtocolS. RFC 793, 1981. 2 孙利民, 卢泽新, 吴志美. LEO 卫星网络的路由技术J. 计算机 学报, 2004, 27(5: 659-667. 3 王 平, 顾学迈. LEO 卫星网络中 TCP 协议性能及路由策略研 究J. 南京理工大学学报, 2007, 31(1: 85-88. 4 Dutta D, Zhang Yongguang. An Active Proxy Based Architecture for TCP in Heterogeneous Variable Bandwidth NetworkC/Proc. of GLOBECOM01. S. l