TCP协议在空间通信中的应用研究,姓名： 学号：,目录,,,1 综述,2 TCP协议,3 改进的TCP协议,目录结构,4 仿真及结论,综述,卫星通信系统概述,卫星与 Internet 融合,面临的问题,TCP协议,TCP协议,TCP/IP 协议族开始于 60年代，到了 90 年代就已经发展成为使用最为广泛的计算机互联协议TCP/IP 协议族主要分为两个部分，即 TCP 协议和 IP 协议从协议层次上讲，IP 协议位于网络层中，它为各种高层协议提供了一个通用平台高层协议和应用程序只需做好与 IP 的“沟通”，不必关心底层协议和链路接口，就可以实现不同网络和终端的广泛互联IP 具有简单、灵活优点的同时也有不足之处：不提供数据传输的质量保证，也就是通常所说的“尽力而为”的服务设计 TCP 协议的目的就是为了弥补 IP 在这方面的不足，解决数据传输不可靠的问题TCP 协议位于传输控制层，它以适应网络特性为目标，提供可靠、面向连接的服务TCP 协议在发展的过程中经历了几次改动，形成了几种不同的协议版本，但各个版本的 TCP 协议都包含了连接管理、差错控制、流量控制和拥塞控制机制等卫星链路特点及对 TCP 协议性能的影响,卫星信道属于无线信道，它具有较高的信道误码率和较长的信号传播时延。
另外， 出于成本等因素的考虑，卫星链路带宽采用的是不对称的连接方式这些都直接影 响TCP协议的性能，降低TCP协议对卫星数据传输信道资源的有效利用地面网络的 往返时延 RTT 在几个到几十个毫秒内，卫星信道的传播延时则大的多， 其传播延时大约为 240~250ms，往返时延 RTT 达到 480ms~500ms 之间，行星之 间的传播时延还要更长长传播时延会严重影响 TCP 的性能同时，长传播延时在 TCP 检测和恢复丢失数据操作上影响很大丢失数据的 恢复是通过重传完成的，而重传是建立在对丢失数据的检测上长传播延时：,,,通常在无线通信尤其在空间卫星通信环境下，信道噪声主要为加性高斯白噪声，随机误码为主要表现形式，误码率在 10-4~10-7，前向误码修正可在一定程度上纠正误码，但对卫星通信这样的高误码率情况是无能为力的另外，卫星信道还受天气气候影响，当天气情况恶化时，信道误码率还会更大高信道误码率,卫星链路特点及对 TCP 协议性能的影响,卫星网络传输控制协议研究现状,针对目前 TCP 协议在空间通信中出现的种种弊端，如何改进地面数据传输协议以使 之适应空间通信网络环境要求，一直是人们广泛关注和研究的热点。
各种科研机构和 工作组制定了多个 RFC 文档，而且提出了很多改进方案这些改进方案主要分为几 个方面：1、TCP 协议修改方案；2、其他协议层修改方案；3、代理方案几种TCP 协议修改方案：链路层解决方案、端到端解决方案，TCP连接分割方案在链路层解决方案中，采用 TCP 确认去触发链路重传，并抑制确认传送到 TCP 发送端，因此能很好的将链路层丢失掩盖起来，使 TCP 发送端不会降低其拥塞窗 口，但仍然需要访问 TCP 头从而得到包序列号和确认号如果基站保持确认在端 到端之间进行传送，那么卫星长时延传播就会产生不公平问题卫星网络传输控制协议研究现状,在端到端解决方案中，每种方案只是根据卫星链路传输特点的一部分进行考虑，如 大的初始窗口，只是改进了 TCP 协议在卫星链路长时延情况下，慢启动阶段拥塞 窗口增长缓慢的问题，如果在高拥塞情况下，大的初始窗口有可能会增加 TCP 连 接的数据包丢失同样，字节计数和慢启动后延时确认也只是针对卫星链路距离远 时延长的特点，采用加速拥塞窗口增长的方法；在差错控制方面，没有采取完备的 差错控制检测策略TCP 连接分割采用的协议转换网关的策略，将地面链路和卫星链路分割开来，在卫 星链路段采用适合卫星数据传输的协议，而在另一个协议转换网管再将数据还原为 TCP 数据，但这种方法在很大程度上增加了协议转换网关的复杂性，对于协议转化 的开销很大。
TCP 协议在卫星链路中需要改进的功能,TCP 协议之所以在空间通信环境下存在诸多问题，关键是缺乏全面的应用于 空间链路的传输控制机制 首先，TCP 的错误控制主要是以网络拥塞丢包为中心，而忽略了链路传输错 误等其他问题，这在传统网络上是成立的；但在空间通信环境下，链路错误 产生的丢包是典型的错误特征，TCP 缺乏处理这些错误的能力其次，TCP 在数据发送速率控制方面主要采用慢启动和拥塞避免策略，采用 缓慢增长数据发送速度用以探测网络传输带宽的方法，逐步满负荷发挥线路 传输性能这个过程时间长、线路利用率低我们应就如何侦测网络实际可 用带宽，快速有效的在最大带宽条件下传输数据进行改进，使数据发送在短 时间内以信道最大有效带宽发送数据，提高信道数据吞吐量改进的TCP协议,SN-TCP协议的提出,国际上已经提出了一些传输控制协议，具有典型代表的是：TCP-Peach、TCP Westwood 和 XCP 等协议这些协议虽然综合考虑了线路误码和网络拥塞，与 TCP-Reno 和 TCP-Newreno 相比性能也不同程度提高，但在链路随机误码严 重时，或者出现突发误码时，协议性能明显降低另外，这些协议均未考虑非对 称卫星链路的特点，反向链路的拥塞也严重影响了协议的性能。
其次，考虑到卫 星通信网络电磁环境的特殊性，星上设备设计简单，传输控制协议应降低对星载 路由、交换设备的设计要求因此，这里我们提出一种改进型的端到端的卫星网 络传输控制协议——SN-TCPSN-TCP协议,针对卫星链路长传播延时造成的数据传输增长缓慢的问题，我们提出了改进型的快速启动（Faster Start）策略为了判别数据丢失具体情况，我们提出了丢失检验（Loss Detect）策略，这样 SN-TCP 协议能有效识别丢包所在位置等相关信息和后续丢包的确认SN-TCP协议,N-TCP 协议总体结构如图所示：,协议主要包括 Faster start、Congestion Avoidance、bandwidth detect、Loss Detect 和 Snack Retransmission 等策略SN-TCP协议,改进型的快速起始（Faster Start）策略,在发送端和接收端成功建立连接后，发送端首先进入到 Faster Start 阶段由于卫星链路长时延特点，数据传输时间长，发送方在发送一个分组后，需 要等待较长时间（因为卫星链路 RTT 很大）才能接收到对数据的应答，根 据传统TCP 协议的慢启动策略，接收端每收到一个分组就才发出一个 确认 信号ACK。
如果接收方采用延迟确认机制，发送方收到 ACK 个数大约只有 上面的一半，拥塞窗口cwnd 从一个分组到达通告窗口（awin）所需要的时 间就增大至大约两倍可以看出 TCP 所采用的延迟响应策略也影响了慢启 动，减慢了 Cwnd 的增加速度，降低了 TCP 的性能针对这个问题，我们 采用动态扩大初始 Cwnd 的方法，增加初始的 Cwnd 的大小，这样对较短的 数据流和低带宽极为为有利如首先使用一个较大的 Cwnd 的初始值 Iw，在发生超时重传时才设置为 1， 这样就能提高慢启动时的网络带宽利用率以上提出的扩大Iw值主要针对慢启动阶段在数据开始传输时或者检测出丢失 数据重传时设置丢失判决（Loss Detect）策略,在丢失判决策略中，采用检测数据包在发送窗口中是否成“洞”的方式判断数据丢 失情况根据 TCP 包结构，TCP 协议在发送数据包时，对每个数据包设定序列 号，协议每发送一个数据包的同时将下一个数据包的序列号增加 1 以标注数据， 再通过等待相应序列号数据包应答返回的方法判断数据包是否被正确接收，这种 策略保证了数据有效可靠的传输 在数据接收端，协议对比接收到的数据包与上一个已经成功接收的数据包的序列号。
接收端在接收到本数据包的时候发送应答，将下一期望接收到的数据包序列号发 送给数据源端，希望下一时刻数据端发送本数据 如果在发送过程中，数据窗口 的数据包发生丢失，接收端接收到了其他的数据，这样在接收到的数据包序列号 与已经接收到的最大序列号数据包进行比较时，发现序列号不相符，当前数据包 并非期望接收到的包，这表明数据包丢失，数据发送窗口出现“洞”，于是进入 差错控制机制进行丢失数据SN-TCP协议,拥塞避免（Congestion Avoidance）策略 带宽探测（bandwidth detect）策略 差错控制策略 数据包格式设计,SN-TCP协议,仿真及结论,非对称链路仿真,由于卫星信道带宽不对称的特点，我们需要在不对称信道链路拓扑中仿真协 议性能，并进行对比模型由 4 个节点组成，n1 为 server 端，通过地面路由 n2 向卫星 n3 发送数 据，n2 和 n3 之间采用两条带宽不对称的单向卫星链路建立数据通信连接， 下行链路远大于上行链路,仿真软件为：NS-2,参数如表所示：,非对称链路仿真,从图 可以看出，SN-TCP 在相同条件 下，数据包发送量较其他协议高出50%， 这是由于 SN-TCP 协议采用了比其他传统 TCP 协议更为有效的流量控制机制、差错 控制机制和数据重传机制，确保了链路带宽 得到充分利用。
仿真结果,在相同的仿真时间内，非对称链路上 SN-TCP 传输的数据量为传统 TCP 的 1.8 倍左右基于 SN-TCP 的详细准确标注发送窗口内丢失数据包信息的机 制和不依赖于快速重传算法探测数据丢失的算法，降低了 ACK数据包发送的 频率，发送端几乎不能收到重复的 ACK 包，所以 SN-TCP 每隔一端时间才 发送一个 ACK 数据包，有效的节约了上行链路带宽资源仿真结果,本文基于现有 TCP 传输协议，研究设计一种用以改进型在空间链路上数据传输性能 的 SN-TCP 协议，针对空间数据传输长延时、高误码、线路不对称等特点，设计了 快速开始策略、带宽探测策略丢失判决策略和差错控制策略 在实际的仿真过程中， 本文所设计的 SN-TCP 协议在非对称链路网络环境中采用不同链路延迟、不同误码 率分别与传统 TCP 协议进行仿真，就网络传输利用率、网络吞吐量、序列号发送数 量、数据重传率、数据发送窗口变化等衡量协议性能的重要参数进行分析，其各项 参数指标均高于现有传统 TCP 协议，显著改善传统协议在卫星链路中数据传输的性 能，在空间传输领域有较高的利用价值，为下一步研究提供可用参考。