空間通信與導(dǎo)航 報告.

1、TCP協(xié)議在空間通信中的應(yīng)用研究姓名：姓名：學(xué)號：學(xué)號：目錄1 綜述2 TCP協(xié)議3 改進(jìn)的TCP協(xié)議4 仿真及結(jié)論 綜述綜述衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個或多個地球站之間進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由空間分系統(tǒng)空間分系統(tǒng)、通信地球站通信地球站、跟蹤遙測及指令分跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四部分組成。其中跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對衛(wèi)星的軌道、位置及姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和校正；監(jiān)控分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對衛(wèi)星的性能及參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述為了滿足全球因特網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅l(wèi)星通信已經(jīng)朝著寬帶

2、因特網(wǎng)接入服務(wù)方向發(fā)展。結(jié)合衛(wèi)星通信的自身特點，與地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星寬帶因特網(wǎng)特點鮮明，主要體現(xiàn)在：能夠快速組網(wǎng)，短時間內(nèi)可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的終端用戶接入；以廣播方式工作，具有大面積覆蓋能力，通信靈活機(jī)動，適合多媒體業(yè)務(wù)的廣播和組播業(yè)務(wù)；通信距離遠(yuǎn)，工作頻段寬，通信容量大，可承載多種業(yè)務(wù)傳輸；傳輸能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸量大，業(yè)務(wù)費用低廉。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與 Internet 結(jié)合將會使得空地之間以 IP 為通信平臺，形成空地合一的高速因特網(wǎng)。衛(wèi)星與衛(wèi)星與 Internet 融合融合面臨的問題面臨的問題衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于傳輸距離遠(yuǎn)（赤道靜止軌道衛(wèi)星距離地球 35860km）、傳輸環(huán)境多變的特點（環(huán)境干擾、星體阻擋

3、、雨衰、空間復(fù)雜電磁環(huán)境），在實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中表現(xiàn)出數(shù)據(jù)傳輸延遲大，信道誤碼率高等特點。同時從衛(wèi)星發(fā)射負(fù)荷能力和傳輸設(shè)備經(jīng)濟(jì)性考慮，要求衛(wèi)星星體小巧輕便，因此可搭載的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備有限，導(dǎo)致衛(wèi)星傳輸上下行鏈路帶寬不對稱。將 TCP 直接應(yīng)用于空間環(huán)境卻不能表現(xiàn)出良好的數(shù)據(jù)傳輸性能，其中最主要的就是 TCP 在差錯控制、擁塞控制和數(shù)據(jù)傳輸控制方面的原因。所以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議面臨兩種選擇：一是在地面通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，使其適合空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；二是根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的各種約束條件，重新設(shè)計新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 TCP協(xié)議TCP協(xié)議TCP/IP 協(xié)議族開始于 60年代，到了 90 年代就已經(jīng)發(fā)展成為使用最為

4、廣泛的計算機(jī)互聯(lián)協(xié)議。TCP/IP 協(xié)議族主要分為兩個部分，即 TCP 協(xié)議和 IP 協(xié)議。從協(xié)議層次上講，IP 協(xié)議位于網(wǎng)絡(luò)層中，它為各種高層協(xié)議提供了一個通用平臺。高層協(xié)議和應(yīng)用程序只需做好與 IP 的“溝通”，不必關(guān)心底層協(xié)議和鏈路接口，就可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)和終端的廣泛互聯(lián)。IP 具有簡單、靈活優(yōu)點的同時也有不足之處：不提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量保證，也就是通常所說的“盡力而為”的服務(wù)。設(shè)計 TCP 協(xié)議的目的就是為了彌補(bǔ) IP 在這方面的不足，解決數(shù)據(jù)傳輸不可靠的問題。TCP 協(xié)議位于傳輸控制層，它以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)特性為目標(biāo)，提供可靠、面向連接的服務(wù)。TCP 協(xié)議在發(fā)展的過程中經(jīng)歷了幾次改動，形成了幾

5、種不同的協(xié)議版本，但各個版本的 TCP 協(xié)議都包含了連接管理連接管理、差錯控制差錯控制、流量控制和擁塞控制機(jī)流量控制和擁塞控制機(jī)制制等。衛(wèi)星鏈路特點及對 TCP 協(xié)議性能的影響衛(wèi)星信道屬于無線信道，它具有較高的信道誤碼率和較長的信號傳播時延。另外，出于成本等因素的考慮，衛(wèi)星鏈路帶寬采用的是不對稱的連接方式。這些都直接影響TCP協(xié)議的性能，降低TCP協(xié)議對衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸信道資源的有效利用。地面網(wǎng)絡(luò)的 往返時延 RTT 在幾個到幾十個毫秒內(nèi)，衛(wèi)星信道的傳播延時則大的多，其傳播延時大約為 240250ms，往返時延 RTT 達(dá)到 480ms500ms 之間，行星之間的傳播時延還要更長。長傳播時延會嚴(yán)重

6、影響 TCP 的性能。同時，長傳播延時在 TCP 檢測和恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)操作上影響很大。丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)是通過重傳完成的，而重傳是建立在對丟失數(shù)據(jù)的檢測上。長傳播延時：長傳播延時： 通常在無線通信尤其在空間衛(wèi)星通信環(huán)境下，信道噪聲主要為加性高斯白噪聲，隨機(jī)誤碼為主要表現(xiàn)形式，誤碼率在 10-410-7，前向誤碼修正可在一定程度上糾正誤碼，但對衛(wèi)星通信這樣的高誤碼率情況是無能為力的。另外，衛(wèi)星信道還受天氣氣候影響，當(dāng)天氣情況惡化時，信道誤碼率還會更大。高信道誤碼率衛(wèi)星鏈路特點及對 TCP 協(xié)議性能的影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議研究現(xiàn)狀針對目前 TCP 協(xié)議在空間通信中出現(xiàn)的種種弊端，如何改進(jìn)地面數(shù)據(jù)傳輸協(xié)

7、議以使之適應(yīng)空間通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求，一直是人們廣泛關(guān)注和研究的熱點。各種科研機(jī)構(gòu)和工作組制定了多個 RFC 文檔，而且提出了很多改進(jìn)方案。這些改進(jìn)方案主要分為幾個方面：1、TCP 協(xié)議修改方案；2、其他協(xié)議層修改方案；3、代理方案。幾種TCP 協(xié)議修改方案：鏈路層解決方案、端到端解決方案，TCP連接分割方案。在鏈路層解決方案鏈路層解決方案中，采用 TCP 確認(rèn)去觸發(fā)鏈路重傳，并抑制確認(rèn)傳送到 TCP發(fā)送端，因此能很好的將鏈路層丟失掩蓋起來，使 TCP 發(fā)送端不會降低其擁塞窗口，但仍然需要訪問 TCP 頭從而得到包序列號和確認(rèn)號。如果基站保持確認(rèn)在端到端之間進(jìn)行傳送，那么衛(wèi)星長時延傳播就會產(chǎn)生不公

8、平問題。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議研究現(xiàn)狀在端到端解決方案端到端解決方案中，每種方案只是根據(jù)衛(wèi)星鏈路傳輸特點的一部分進(jìn)行考慮，如大的初始窗口，只是改進(jìn)了 TCP 協(xié)議在衛(wèi)星鏈路長時延情況下，慢啟動階段擁塞窗口增長緩慢的問題，如果在高擁塞情況下，大的初始窗口有可能會增加 TCP 連接的數(shù)據(jù)包丟失。同樣，字節(jié)計數(shù)和慢啟動后延時確認(rèn)也只是針對衛(wèi)星鏈路距離遠(yuǎn)時延長的特點，采用加速擁塞窗口增長的方法；在差錯控制方面，沒有采取完備的差錯控制檢測策略。TCP 連接分割連接分割采用的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的策略，將地面鏈路和衛(wèi)星鏈路分割開來，在衛(wèi)星鏈路段采用適合衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，而在另一個協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)管再將數(shù)據(jù)還原為 TCP

9、 數(shù)據(jù)，但這種方法在很大程度上增加了協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜性，對于協(xié)議轉(zhuǎn)化的開銷很大。TCP 協(xié)議在衛(wèi)星鏈路中需要改進(jìn)的功能協(xié)議在衛(wèi)星鏈路中需要改進(jìn)的功能TCP 協(xié)議之所以在空間通信環(huán)境下存在諸多問題，關(guān)鍵是缺乏全面的應(yīng)用于空間鏈路的傳輸控制機(jī)制。首先，TCP 的錯誤控制主要是以網(wǎng)絡(luò)擁塞丟包為中心，而忽略了鏈路傳輸錯誤等其他問題，這在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上是成立的；但在空間通信環(huán)境下，鏈路錯誤產(chǎn)生的丟包是典型的錯誤特征，TCP 缺乏處理這些錯誤的能力。其次，TCP 在數(shù)據(jù)發(fā)送速率控制方面主要采用慢啟動和擁塞避免策略，采用緩慢增長數(shù)據(jù)發(fā)送速度用以探測網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的方法，逐步滿負(fù)荷發(fā)揮線路傳輸性能。這個過程時間長

10、、線路利用率低。我們應(yīng)就如何偵測網(wǎng)絡(luò)實際可用帶寬，快速有效的在最大帶寬條件下傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，使數(shù)據(jù)發(fā)送在短時間內(nèi)以信道最大有效帶寬發(fā)送數(shù)據(jù)，提高信道數(shù)據(jù)吞吐量。改進(jìn)的TCP協(xié)議SN-TCP協(xié)議的提出國際上已經(jīng)提出了一些傳輸控制協(xié)議，具有典型代表的是：TCP-Peach、TCP Westwood 和 XCP 等協(xié)議。這些協(xié)議雖然綜合考慮了線路誤碼和網(wǎng)絡(luò)擁塞，與 TCP-Reno 和 TCP-Newreno 相比性能也不同程度提高，但在鏈路隨機(jī)誤碼嚴(yán)重時，或者出現(xiàn)突發(fā)誤碼時，協(xié)議性能明顯降低。另外，這些協(xié)議均未考慮非對稱衛(wèi)星鏈路的特點，反向鏈路的擁塞也嚴(yán)重影響了協(xié)議的性能。其次，考慮到衛(wèi)星通信網(wǎng)

11、絡(luò)電磁環(huán)境的特殊性，星上設(shè)備設(shè)計簡單，傳輸控制協(xié)議應(yīng)降低對星載路由、交換設(shè)備的設(shè)計要求。因此，這里我們提出一種改進(jìn)型的端到端的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議SN-TCP。SN-TCP協(xié)議協(xié)議針對衛(wèi)星鏈路長傳播延時造成的數(shù)據(jù)傳輸增長緩慢的問題，我們提出了改進(jìn)型的快速啟動（Faster Start）策略。為了判別數(shù)據(jù)丟失具體情況，我們提出了丟失檢驗（Loss Detect）策略，這樣 SN-TCP 協(xié)議能有效識別丟包所在位置等相關(guān)信息和后續(xù)丟包的確認(rèn)。SN-TCP協(xié)議協(xié)議N-TCP 協(xié)議總體結(jié)構(gòu)如圖所示：協(xié)議主要包括 Faster start、CongestionAvoidance、bandwidth de

12、tect、Loss Detect 和 Snack Retransmission 等策略。SN-TCP協(xié)議協(xié)議改進(jìn)型的快速起始（Faster Start）策略在發(fā)送端和接收端成功建立連接后，發(fā)送端首先進(jìn)入到 Faster Start 階段。由于衛(wèi)星鏈路長時延特點，數(shù)據(jù)傳輸時間長，發(fā)送方在發(fā)送一個分組后，需要等待較長時間（因為衛(wèi)星鏈路 RTT 很大）才能接收到對數(shù)據(jù)的應(yīng)答，根據(jù)傳統(tǒng)TCP 協(xié)議的慢啟動策略，接收端每收到一個分組就才發(fā)出一個 確認(rèn)信號ACK。如果接收方采用延遲確認(rèn)機(jī)制，發(fā)送方收到 ACK 個數(shù)大約只有上面的一半，擁塞窗口cwnd 從一個分組到達(dá)通告窗口（awin）所需要的時間就增大至

13、大約兩倍?？梢钥闯?TCP 所采用的延遲響應(yīng)策略也影響了慢啟動，減慢了 Cwnd 的增加速度，降低了 TCP 的性能。針對這個問題，我們采用動態(tài)擴(kuò)大初始動態(tài)擴(kuò)大初始 Cwnd 的方法，增加初始的 Cwnd 的大小，這樣對較短的數(shù)據(jù)流和低帶寬極為為有利。如首先使用一個較大的 Cwnd 的初始值 Iw，在發(fā)生超時重傳時才設(shè)置為 1，這樣就能提高慢啟動時的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。以上提出的擴(kuò)大Iw值主要針對慢啟動階段在數(shù)據(jù)開始傳輸時或者檢測出丟失數(shù)據(jù)重傳時設(shè)置。丟失判決（Loss Detect）策略在丟失判決策略中，采用檢測數(shù)據(jù)包在發(fā)送窗口中是否成“洞”的方式判斷數(shù)據(jù)丟失情況。根據(jù) TCP 包結(jié)構(gòu)，TCP

14、協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，對每個數(shù)據(jù)包設(shè)定序列號，協(xié)議每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的同時將下一個數(shù)據(jù)包的序列號增加 1 以標(biāo)注數(shù)據(jù)，再通過等待相應(yīng)序列號數(shù)據(jù)包應(yīng)答返回的方法判斷數(shù)據(jù)包是否被正確接收，這種策略保證了數(shù)據(jù)有效可靠的傳輸。在數(shù)據(jù)接收端，協(xié)議對比接收到的數(shù)據(jù)包與上一個已經(jīng)成功接收的數(shù)據(jù)包的序列號。接收端在接收到本數(shù)據(jù)包的時候發(fā)送應(yīng)答，將下一期望接收到的數(shù)據(jù)包序列號發(fā)送給數(shù)據(jù)源端，希望下一時刻數(shù)據(jù)端發(fā)送本數(shù)據(jù)。如果在發(fā)送過程中，數(shù)據(jù)窗口的數(shù)據(jù)包發(fā)生丟失，接收端接收到了其他的數(shù)據(jù)，這樣在接收到的數(shù)據(jù)包序列號與已經(jīng)接收到的最大序列號數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較時，發(fā)現(xiàn)序列號不相符，當(dāng)前數(shù)據(jù)包并非期望接收到的包，這表明數(shù)據(jù)包

15、丟失，數(shù)據(jù)發(fā)送窗口出現(xiàn)“洞洞”，于是進(jìn)入差錯控制機(jī)制進(jìn)行丟失數(shù)據(jù)。SN-TCP協(xié)議協(xié)議l擁塞避免（Congestion Avoidance）策略l帶寬探測（bandwidth detect）策略l差錯控制策略l數(shù)據(jù)包格式設(shè)計SN-TCP協(xié)議協(xié)議仿真及結(jié)論非對稱鏈路仿真非對稱鏈路仿真由于衛(wèi)星信道帶寬不對稱的特點，我們需要在不對稱信道鏈路拓?fù)渲蟹抡鎱f(xié)議性能，并進(jìn)行對比。模型由 4 個節(jié)點組成，n1 為 server 端，通過地面路由 n2 向衛(wèi)星 n3 發(fā)送數(shù)據(jù)，n2 和 n3 之間采用兩條帶寬不對稱的單向衛(wèi)星鏈路建立數(shù)據(jù)通信連接，下行鏈路遠(yuǎn)大于上行鏈路仿真軟件為：NS-2參數(shù)如表所示：非對稱鏈路

16、仿真非對稱鏈路仿真從圖 可以看出，SN-TCP 在相同條件下，數(shù)據(jù)包發(fā)送量較其他協(xié)議高出50%，這是由于 SN-TCP 協(xié)議采用了比其他傳統(tǒng) TCP 協(xié)議更為有效的流量控制機(jī)制、差錯控制機(jī)制和數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，確保了鏈路帶寬得到充分利用。仿真結(jié)果仿真結(jié)果在相同的仿真時間內(nèi)，非對稱鏈路上 SN-TCP 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為傳統(tǒng) TCP 的 1.8 倍左右?；?SN-TCP 的詳細(xì)準(zhǔn)確標(biāo)注發(fā)送窗口內(nèi)丟失數(shù)據(jù)包信息的機(jī)制和不依賴于快速重傳算法探測數(shù)據(jù)丟失的算法，降低了 ACK數(shù)據(jù)包發(fā)送的頻率，發(fā)送端幾乎不能收到重復(fù)的 ACK 包，所以 SN-TCP 每隔一端時間才發(fā)送一個 ACK 數(shù)據(jù)包，有效的節(jié)約了上行鏈路帶寬資源。仿真結(jié)果仿真結(jié)果本文基于現(xiàn)有 TCP 傳輸協(xié)議，研究設(shè)計一種用以改進(jìn)型在空間鏈路上數(shù)據(jù)傳輸性能的 SN-TCP 協(xié)議