衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的擁塞控制研究

孫彥東，季振洲，王 暉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 哈爾濱150001）

1 引言

20世紀(jì)90年代末期，人們開(kāi)始對(duì)寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生濃厚興趣。衛(wèi)星通信是一種非常先進(jìn)的通信技術(shù)，具有將地球上絕大多數(shù)人口聚居區(qū)域互聯(lián)起來(lái)的能力。但是在和地面通信網(wǎng)絡(luò) （由光纖骨干網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成）的競(jìng)爭(zhēng)中，衛(wèi)星通信行業(yè)卻往往處于劣勢(shì)。主要原因是衛(wèi)星通信無(wú)法提供同光纖骨干網(wǎng)絡(luò)相同的高帶寬以及受到衛(wèi)星接入的用戶數(shù)量和成本的制約。

然而，從19世紀(jì)末開(kāi)始，整個(gè)衛(wèi)星通信行業(yè)又開(kāi)始進(jìn)入新一輪的快速增長(zhǎng)期，這主要是基于寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。有許多投資巨大的寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正在研制或者即將運(yùn)行，例如Teledesic系統(tǒng)[1]、SpaceWay系統(tǒng)[2]、Astrolink系統(tǒng)[3]和SkyBridge系統(tǒng)[4]等。這些系統(tǒng)可為不同用戶提供各種各樣的通信服務(wù)，包括互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、寬帶多媒體移動(dòng)通信等。隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的各種服務(wù)提出了新的要求，特別是數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省⒎€(wěn)定性和公平性等。

網(wǎng)絡(luò)擁塞控制是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)擁塞是指網(wǎng)絡(luò)所處的一種資源過(guò)載狀態(tài)。資源過(guò)載會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失率和傳輸時(shí)延增大，如果沒(méi)有資源預(yù)留，過(guò)載進(jìn)而導(dǎo)致提供時(shí)間和空間復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)效率降低[5，6]。擁塞控制算法是一種分布式算法，是指為多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)流有效分配網(wǎng)絡(luò)資源。從Van Jacobson最初提出的TCPTahoe算法[7]到TCP Reno算法[8]和TCPNewReno算法[9]，擁塞控制一直是網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，研究者們?cè)O(shè)計(jì)出許多擁塞控制算法。傳統(tǒng)的擁塞控制都是假設(shè)在有線環(huán)境下，鏈路錯(cuò)誤率可以忽略，擁塞是數(shù)據(jù)丟失的惟一原因。但衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)還具有鏈路誤碼率高的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)的丟失可能由此引起。此外，具有長(zhǎng)時(shí)延特性的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中（如GEO（geostationary earth orbit）網(wǎng)絡(luò)的RTT（round trip time）大約為550 ms），由于帶寬時(shí)延積（帶寬和時(shí)延的乘積）大，使得擁塞控制在該環(huán)境下的應(yīng)用具有一定的局限性[10~13]。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)還具有鏈路不對(duì)稱的特點(diǎn)，表現(xiàn)在雙向鏈路具有不同的帶寬、時(shí)延和錯(cuò)誤率。這些特點(diǎn)都使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)，因此需要對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下的擁塞控制進(jìn)行重新的審視，最近幾年，研究者們陸續(xù)提出一些改進(jìn)算法，但并沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)的算法，因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下的擁塞控制問(wèn)題仍需要進(jìn)一步的研究。

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)對(duì)擁塞控制的影響

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，能夠提供一種“無(wú)處不在”的接入方式，不需要建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施就能夠使分散的各個(gè)區(qū)域相互通信或者接入Internet，同時(shí)還能夠在發(fā)生自然災(zāi)害等情況下提供應(yīng)急通信。因此，其巨大的潛力吸引了衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)方面的學(xué)者們致力于提高TCP，特別是擁塞控制算法在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的性能。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的固有特點(diǎn)對(duì)擁塞控制產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，這些特點(diǎn)也是設(shè)計(jì)擁塞控制算法的重要參考。

2.1 高時(shí)延

TCP是一種確認(rèn)信息驅(qū)動(dòng)的協(xié)議，確認(rèn)信息的連續(xù)性、及時(shí)性對(duì)實(shí)施擁塞控制、保證數(shù)據(jù)流的暢通是很重要的。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高時(shí)延特性對(duì)擁塞控制的性能產(chǎn)生了一定的影響，首先，高時(shí)延使得擁塞控制的慢啟動(dòng)過(guò)程所需時(shí)間延長(zhǎng)[14]。TCP的發(fā)送端通過(guò)調(diào)整發(fā)送窗口來(lái)改變發(fā)送速率，當(dāng)擁塞控制進(jìn)入慢啟動(dòng)過(guò)程時(shí)，發(fā)送窗口每經(jīng)過(guò)一個(gè)RTT時(shí)間它的值增加一倍，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值——鏈路的帶寬時(shí)延積，由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延較大，其帶寬時(shí)延積也較大。同時(shí)，TCP一般采用累積確認(rèn)選項(xiàng)，當(dāng)接收一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包之后，接收端才發(fā)送確認(rèn)信息，這樣減緩了確認(rèn)信息的發(fā)送頻率，如果在一個(gè)窗口中有多個(gè)數(shù)據(jù)包丟失，吞吐量會(huì)迅速下降。綜上，衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的慢啟動(dòng)過(guò)程所需時(shí)間較長(zhǎng)，特別是傳輸如Web這樣的短流時(shí)，在發(fā)送窗口未達(dá)到閾值時(shí)，數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送完畢，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)利用率降低。其次，在擁塞避免過(guò)程中，發(fā)送窗口每經(jīng)過(guò)一個(gè)RTT時(shí)間它的值增加一個(gè)數(shù)據(jù)包，增長(zhǎng)速度更緩慢。最后，具有高RTT的連接同具有低RTT的連接共享同一條瓶頸鏈路時(shí)，由于前者窗口增加速度低于后者，獲得的可用帶寬也較低，產(chǎn)生了不公平。

2.2 高鏈路誤碼率

TCP擁塞控制假設(shè)數(shù)據(jù)包的丟失是由于瓶頸鏈路的隊(duì)列溢出引起的，而像鏈路誤碼或者其他錯(cuò)誤等這樣的原因是很少的，因此，TCP擁塞控制把數(shù)據(jù)包的丟失作為網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的標(biāo)志，進(jìn)而采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制。這個(gè)假設(shè)在有線網(wǎng)絡(luò)中是成立的，但在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特別是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中就不再成立。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，由于天氣，無(wú)線信號(hào)干擾、衰減等原因，鏈路誤碼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有線網(wǎng)絡(luò)[15]。由于傳統(tǒng)的TCP擁塞控制機(jī)制沒(méi)有區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失的原因就實(shí)施擁塞控制，即使是一個(gè)“誤報(bào)”數(shù)據(jù)包丟失，網(wǎng)絡(luò)也需要重新進(jìn)入慢啟動(dòng)和擁塞避免階段，嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)性能。

2.3 鏈路不對(duì)稱

由于發(fā)射功率和天線尺寸的限制，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的雙向鏈路往往不對(duì)稱，可能具有不同的帶寬、誤碼率和時(shí)延。對(duì)于GEO來(lái)說(shuō)，情況更是如此，考慮到通信成本，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男l(wèi)星鏈路傳輸距離較長(zhǎng)，需要較大的發(fā)射功率，反向鏈路可能通過(guò)速率較低的電話線路傳輸確認(rèn)信息[16]。對(duì)于TCP的擁塞控制機(jī)制，連續(xù)的確認(rèn)信息對(duì)于發(fā)送端持續(xù)發(fā)送新數(shù)據(jù)是重要的，當(dāng)前向鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送速率提高，反向鏈路確認(rèn)信息就會(huì)增加，由于反向鏈路帶寬較低，就可能造成確認(rèn)信息出現(xiàn)時(shí)延或者丟失，勢(shì)必影響前向鏈路的速率和擁塞控制的性能。

正是由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，應(yīng)用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制算法不能夠直接應(yīng)用于該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。近年來(lái)，研究者們陸續(xù)提出改進(jìn)的擁塞控制算法和新?lián)砣刂扑惴ǎ@些算法如果按照實(shí)現(xiàn)方式可以劃分為兩類(lèi)：基于窗口算法如SCTP[17]、TCPW[18]、TCP Peach[19]和基于 速率算法 如TCP Vegas[20]、STP[21]、SCPS-TP[22]?；诖翱谒惴ň褪前l(fā)送端根據(jù)接收到的反饋信息來(lái)調(diào)整擁塞窗口，進(jìn)而改變向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)量，從而達(dá)到擁塞控制的目的，TCP協(xié)議就采用此種算法，以AIMD（additive increase multiplicative decrease）形式進(jìn)行擁塞控制；基于速率算法是根據(jù)端系統(tǒng)的測(cè)量值或者來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的反饋信息直接對(duì)發(fā)送速率進(jìn)行調(diào)整，同樣達(dá)到擁塞控制的目的。前者采用的是一種突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式，后者則采用的是較為平緩的方式[23]。按照實(shí)現(xiàn)形式可以劃分為兩類(lèi)：顯式擁塞控制如ECN[24]和隱式擁塞控制如TCPNewReno[9]、TCPW[18]等，兩者區(qū)別在于是否存在通知端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有無(wú)擁塞發(fā)生。按照實(shí)現(xiàn)的位置可以分為3類(lèi)：端到端算法TCPNewReno[8]、TCPVegas[18]，鏈路算法[25]和端系統(tǒng)與鏈路結(jié)合算法，如在參考文獻(xiàn)[26]中提到的一種協(xié)同式的擁塞控制算法。同有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的擁塞控制算法類(lèi)似，只是3類(lèi)算法針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特點(diǎn)做了一些改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)。

3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法及研究

鑒于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法分類(lèi)并不嚴(yán)格，一些算法所屬不同分類(lèi)，因此本節(jié)圍繞衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)介紹衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的現(xiàn)狀、發(fā)展及研究熱點(diǎn)。

3.1 針對(duì)高帶寬時(shí)延積的擁塞控制算法

（1）增加初始窗口[24]

為了減少慢啟動(dòng)階段所需時(shí)間，可以增大初始窗口值，實(shí)驗(yàn)表明，擁塞窗口值從1增加到Min[4 MSS，Max（2 MSS，4 380 byte）]，其中MSS為最大TCP分組。 這樣，在第一個(gè)RTT就會(huì)發(fā)送更多的分組，就會(huì)產(chǎn)生更多的確認(rèn)信息，擁塞窗口增加更快。此外，把初始窗口的值設(shè)置至少為2，第一個(gè)分組就不需等待時(shí)延確認(rèn)計(jì)時(shí)器超時(shí)。因此，和擁塞窗口初始值為1相比，至少可以節(jié)省3×RTT和一個(gè)時(shí)延確認(rèn)超時(shí)的時(shí)間。參考文獻(xiàn)[27]和[28]表明，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中增加初始窗口值確實(shí)能夠縮短慢啟動(dòng)階段所需時(shí)間，減少網(wǎng)頁(yè)的傳輸時(shí)間。但這種方法也增加了發(fā)送數(shù)據(jù)的突發(fā)性，如果網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在擁塞，那么增大窗口就會(huì)加劇擁塞。

（2）XCP（explicit control protocol）[29]

XCP協(xié)議需要在端系統(tǒng)和路由器上實(shí)現(xiàn)，主要是利用ECN反饋信息，而不是讓發(fā)送端去探測(cè)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬。XCP把擁塞控制和帶寬分配分離開(kāi)來(lái)，這樣，可以把帶寬分配給單獨(dú)的數(shù)據(jù)流而無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)包丟失和可用帶寬利用問(wèn)題[30]。為了獲得公平帶寬分配、高帶寬利用率、零數(shù)據(jù)丟失，需要在路由器中實(shí)現(xiàn)ECN和效率控制器（efficiency controller，EC）和公平控制器（fairness controller，F(xiàn)C）。XCP雖然克服了高帶寬的時(shí)延問(wèn)題，但高BER和帶寬不對(duì)稱仍舊影響XCP的性能，為此，參考文獻(xiàn)[31]提出P-XCP協(xié)議。

（3）VCP（variable-structure congestion-control protocol）[32]

VCP定義了3個(gè)擁塞域：低負(fù)載、高負(fù)載和過(guò)載，在這3個(gè)域中采用MIAIMD（multiplicative-increase,additiveincrease,and multiplicative-decrease）策略進(jìn)行擁塞控制。VCP利用ECN位中的兩位，以一種顯式方式指示網(wǎng)絡(luò)所處的擁塞程度。VCP能夠獲得高鏈路利用率、低持續(xù)隊(duì)列長(zhǎng)度、可以忽略的數(shù)據(jù)丟失率和一定的公平性，但其也存在一些缺點(diǎn)，如當(dāng)存在鏈路錯(cuò)誤時(shí)，VCP就會(huì)產(chǎn)生振蕩；收斂速度較慢以及擁塞反饋信息不足時(shí)公平性較差等。

（4）SACK（selective acknowledgement）[33]及其應(yīng)用

SACK使TCP只重新發(fā)送丟失的包，不需發(fā)送后續(xù)所有的包，而且提供相應(yīng)機(jī)制通知發(fā)送方數(shù)據(jù)的接收情況，因此可以在一個(gè)RTT中重傳所有丟失的數(shù)據(jù)，提高傳輸效率。基于SACK，F(xiàn)ACK（forward ACK）[34，24]利用TCP SACK選項(xiàng)收集擁塞狀態(tài)信息，在丟失分組恢復(fù)階段加入了更加精確的控制來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率。FACK把擁塞控制和數(shù)據(jù)恢復(fù)分開(kāi)，提供一種簡(jiǎn)單、直接的方法應(yīng)用SACK選項(xiàng)提高擁塞控制性能。SCPS-TP采用的SNACK（selective negative ACK） 是SACK和NAK（negative acknowledgement）的結(jié)合，能夠報(bào)告多個(gè)窗口中的多個(gè)分組丟失，這對(duì)于高時(shí)延網(wǎng)絡(luò)尤為重要[35]。

（5）Fast Start[35]

基本思想就是應(yīng)用緩存信息（如擁塞窗口、慢啟動(dòng)門(mén)限、RTT等）減少TCP慢啟動(dòng)階段探測(cè)帶寬的開(kāi)銷(xiāo)，有效地減少了時(shí)延，特別適用于斷流傳輸。Fast Start算法由發(fā)送端算法和路由器算法組成。其中發(fā)送端算法包含4個(gè)部分：Fast Start階段開(kāi)始和終止，TCP狀態(tài)變量初始化，在第一個(gè)RTT應(yīng)用計(jì)時(shí)器記錄數(shù)據(jù)包，快速檢測(cè)失敗Fast Start和快速恢復(fù)。路由器算法就是采用包優(yōu)先級(jí)丟棄策略，F(xiàn)ast Start數(shù)據(jù)包標(biāo)記為低優(yōu)先級(jí)，這樣當(dāng)需要丟棄數(shù)據(jù)包時(shí)，不會(huì)影響到其他的連接的數(shù)據(jù)包。這種機(jī)制不需要維護(hù)每個(gè)連接的信息，能夠很好應(yīng)用于采用Drop Tail和RED的路由器。模擬實(shí)驗(yàn)表明Fast Start有效減少了文件傳輸時(shí)間[35]，然而Fast Start只能應(yīng)用于發(fā)送端能夠獲得相同路徑上最近擁塞窗口值的情況[36，19]。

（6）TCP-Peach[19]

主要是針對(duì)高帶寬時(shí)延和高BER網(wǎng)絡(luò)，修改了TCP擁塞控制中的慢啟動(dòng)和快速恢復(fù)，取而代之為突然啟動(dòng)和迅速恢復(fù)。在連接建立開(kāi)始時(shí)，采用基于“啞元”的慢啟動(dòng)算法?！皢≡辈粩y帶任何信息，具有較低的優(yōu)先級(jí)，用于探測(cè)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬。在突然啟動(dòng)階段，發(fā)送端發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組和rwnd-1個(gè) “啞元”，rwnd是接收端的最大接收窗口值。突然啟動(dòng)階段持續(xù)一個(gè)RTT，然后進(jìn)入擁塞避免階段。擁塞避免階段，發(fā)送端每收到一個(gè)對(duì)于“啞元”的確認(rèn)信息，擁塞窗口就增加1[18]。迅速恢復(fù)算法旨在解決鏈路錯(cuò)誤引起的吞吐量下降的問(wèn)題。在啞元沒(méi)有收到應(yīng)答時(shí)不增加發(fā)送窗口的大小，以此來(lái)牽制發(fā)送窗口的增加。而當(dāng)收到對(duì)于啞元的應(yīng)答時(shí)，又可以根據(jù)啞元的應(yīng)答來(lái)增加發(fā)送窗口，使得發(fā)送窗口能在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到原來(lái)的大小?；赟udden Start，TCP-Peach+[37]提出Jump Start算法，其不再使用“啞元”，而是NIL分組。NIL分組攜帶未確認(rèn)信息，不但能夠探測(cè)網(wǎng)絡(luò)資源，而且能夠恢復(fù)丟失分組。此外，參考文獻(xiàn)[38]提出結(jié)合增大初始擁塞窗口值[24]和突然啟動(dòng)的機(jī)制。

（7）REFWA（recursive，explicit，and fair window adjustment）[39]

REFWA是針對(duì)多跳衛(wèi)星群通信的一種有效、公平的TCP控制機(jī)制。其擁塞控制的基本思想是把所有共享瓶頸鏈路的TCP連接的窗口值和網(wǎng)絡(luò)的容量進(jìn)行匹配，提高網(wǎng)絡(luò)的有效性。其利用連接的跳數(shù)估計(jì)RTT，然后把具有相同RTT的連接劃分為組，再把可用帶寬按照RTT權(quán)重進(jìn)行分配，提高網(wǎng)絡(luò)的公平性。每一個(gè)連接分配的帶寬以一種反饋信息的形式通知發(fā)送端，這個(gè)反饋信息存儲(chǔ)在ACK數(shù)據(jù)包頭部的RWND（receiver’s advertised window）域中，發(fā)送端根據(jù)該信息調(diào)整發(fā)送速率。盡管REFWA獲得了很好的性能，但其沒(méi)有考慮衛(wèi)星鏈路的高誤碼率的情況。

3.2 針對(duì)鏈路誤碼的擁塞控制算法

針對(duì)衛(wèi)星鏈路的高誤碼率特點(diǎn)，可以從網(wǎng)絡(luò)的不同層次入手，如在數(shù)據(jù)鏈路層采用前向鏈路糾錯(cuò)和自動(dòng)重傳機(jī)制，這里主要討論擁塞控制算法采用的機(jī)制。

（1）ECN（explicit congestion notification）[24]

ECN是最早提出的顯式控制方式，后來(lái)許多的機(jī)制都基于此。其應(yīng)用IP數(shù)據(jù)包頭部的兩位——ECT和CE攜帶信息指示數(shù)據(jù)流是否支持ECN，網(wǎng)絡(luò)是否存在擁塞；應(yīng)用TCP頭部的兩位——ECE和CWR通知發(fā)送端擁塞狀態(tài)和接收端是否縮小窗口，如圖1[40]所示。ECN的工作需要TCP端系統(tǒng)和路由器相互協(xié)作，具體過(guò)程如圖2[40]所示。目前為止，有兩種ECN形式，BECN（backward ECN）[41]和FECN（forward ECN）。BECN比ECN快速得多，因?yàn)樵诎l(fā)送端對(duì)擁塞信號(hào)做出反應(yīng)前，擁塞信號(hào)不需經(jīng)過(guò)一個(gè)RTT。因此，BECN很大程度上減少了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、時(shí)延變化和由緩沖區(qū)溢出而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失等。這種顯式的控制方式在某種程度上能夠解決衛(wèi)星鏈路誤碼率高的缺點(diǎn)，因此許多擁塞控制算法都基于這種控制機(jī)制，如XCP、RCP等。

（2）STP[21]

STP協(xié)議是一種基于端到端探測(cè)的能夠適應(yīng)衛(wèi)星信道單一錯(cuò)誤的機(jī)制，采用基于速率的擁塞控制方法，沒(méi)有數(shù)據(jù)包丟失原因判斷機(jī)制。XSTP[42]是在STP的基礎(chǔ)上增加了一種錯(cuò)誤判斷機(jī)制，該機(jī)制是基于端到端的探測(cè)機(jī)制，是通過(guò)測(cè)量探測(cè)前后的RTT值來(lái)判斷數(shù)據(jù)丟失原因。如果是擁塞引起的，那么擁塞窗口減小，擁塞控制機(jī)制啟動(dòng)。反之，這兩種機(jī)制都不啟動(dòng)。其缺點(diǎn)就是引入的開(kāi)銷(xiāo)較大。

（3）TCPWestwood[18]

TCPW是比較適合應(yīng)用于易失網(wǎng)絡(luò)，其最大特點(diǎn)是只需在發(fā)送端改進(jìn)TCP算法，不需要中間節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和截取TCP分組。發(fā)送端通過(guò)監(jiān)測(cè)ACK的接收速率來(lái)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬，當(dāng)數(shù)據(jù)丟失和傳輸超時(shí)，估計(jì)值還可用來(lái)設(shè)置擁塞窗口和慢啟動(dòng)門(mén)限。盡管TCPW在高數(shù)據(jù)丟失情況下具有良好的性能，但其并沒(méi)有克服長(zhǎng)時(shí)延帶來(lái)的影響。

（4）TCP-STAR[43]

TCP-STAR協(xié)議采用3種機(jī)制，分別為CWS（congestion window setting）、LWC（lift window control）和AEN（acknowledgement error notification）。CWS能夠避免由于鏈路錯(cuò)誤而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失所造成的傳輸速率下降，LWC能夠根據(jù)估計(jì)的帶寬迅速增加擁塞窗口，AEN能夠避免由于確認(rèn)信息時(shí)延或者丟失而引起的誤重傳所造成的吞吐量下降。

（5）REFWA Plus[44]

其擴(kuò)展了REFWA，通過(guò)比較最新的和舊的反饋信息來(lái)判斷數(shù)據(jù)丟失的原因。由擁塞引起的數(shù)據(jù)丟失通常伴隨著計(jì)算的帶寬反饋的下降，而有鏈路錯(cuò)誤引起的數(shù)據(jù)丟失伴隨著計(jì)算的帶寬反饋的上升或者維持原值。盡管REFWA Plus解決了數(shù)據(jù)丟失原因判斷的問(wèn)題，但實(shí)驗(yàn)表明其精度還有待提高。

（6）TP-Satellite[45]

其包含4個(gè)過(guò)程：超級(jí)啟動(dòng)、擁塞避免、丟失區(qū)分和擁塞恢復(fù)。其中在丟失區(qū)分階段利用定期發(fā)送具有高低優(yōu)先級(jí)標(biāo)記的數(shù)據(jù)包（M-NACK數(shù)據(jù)包）來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的原因，擁塞發(fā)生時(shí)，路由器首先丟棄低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包；發(fā)生鏈路錯(cuò)誤時(shí)，隨機(jī)丟棄。如果網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，程度較輕時(shí)，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)等于丟失的低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包數(shù)；程度較重時(shí)，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)大于擁塞窗口的一半。如果發(fā)生鏈路錯(cuò)誤，高低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包具有相同的丟失概率。

3.3 其他典型算法

（1)TCPVegas[20]

TCP-Vegas采用一種巧妙的帶寬估計(jì)策略，根據(jù)期望的流量速率與實(shí)際速率的差來(lái)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)瓶頸處的可用帶寬。TCP-Vegas對(duì)TCPReno主要做了3個(gè)方面的改進(jìn)，分別是快速重傳機(jī)制、擁塞避免階段和慢啟動(dòng)階段，其能夠獲得更高的吞吐量、帶寬利用率，較低的丟包率和隊(duì)列長(zhǎng)度，對(duì)于不同傳輸時(shí)延的數(shù)據(jù)流的良好公平性和服務(wù)質(zhì)量。但是隨著負(fù)載的增加和路由器緩存的減小，TCP-Vegas的性能會(huì)逐漸變差，其效果下降與Reno相似。

（2）SCPS-TP（space communications protocol standardstransport protocol）[22]

SCPS-TP采用3種方法解決由于鏈路錯(cuò)誤而造成的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題：顯式錯(cuò)誤響應(yīng)，SNACK選項(xiàng)和錯(cuò)誤容忍的端到端頭部壓縮機(jī)制。SCPS-TP采用了基于TCPVegas的擁塞控制機(jī)制，同時(shí)還采用了擴(kuò)展TCP計(jì)時(shí)器和Window Scaling選項(xiàng)克服長(zhǎng)時(shí)延來(lái)提高鏈路利用率。

（3）TP-Planet（transport protocol for interplanetary Internet）[46]

采用一種基于速率的AIMD擁塞控制機(jī)制，包含兩種新的算法：Initial State和Steady State。Initial State由Immediate Start和Follow-Up兩個(gè)過(guò)程組成，取代了慢啟動(dòng)算法。Steady State算法包含4種狀態(tài)：Hold Rate、Decrease Rate、Increase Rate和Blackout，根據(jù)接收得到的反饋信息調(diào)整速率。TP-Planet還采用時(shí)延SACK來(lái)解決帶寬不對(duì)稱的問(wèn)題[47]。

（4）AVQRED（adaptive virtual queue random early detection）[25]

AVQRED通過(guò)構(gòu)造虛擬隊(duì)列，然后在接收隊(duì)列中進(jìn)行監(jiān)測(cè)和標(biāo)記來(lái)解決異步隊(duì)列行為；采用RED算法的早丟棄措施來(lái)解決全局同步問(wèn)題。

3.4 研究熱點(diǎn)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞算法的設(shè)計(jì)目前還是主要集中在對(duì)TCP協(xié)議的修改上，也有一小部分探索顯式控制方式和基于控制論、模糊邏輯的方法。作為一個(gè)相對(duì)較新的環(huán)境，擁塞控制的研究熱點(diǎn)可以歸納如下。

·為了消除高時(shí)延對(duì)擁塞控制帶來(lái)的負(fù)面影響，對(duì)擁塞控制算法進(jìn)行改進(jìn)或者重新設(shè)計(jì)。其中包括采用基于速率控制的擁塞控制算法，不依賴窗口調(diào)節(jié)來(lái)改變發(fā)送速率；重新設(shè)計(jì)擁塞控制結(jié)構(gòu)，采用類(lèi)似PEP（performance enhancing proxies）[48]的思想，對(duì)鏈路進(jìn)行重新劃分。

·在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中由鏈路錯(cuò)誤造成的數(shù)據(jù)丟失還是很普遍的，因此如果設(shè)計(jì)擁塞控制算法時(shí)涉及到數(shù)據(jù)丟失，那么就必須考慮鏈路錯(cuò)誤，其研究集中在兩個(gè)方面：鏈路錯(cuò)誤的發(fā)現(xiàn)機(jī)制，能夠準(zhǔn)確判斷造成數(shù)據(jù)丟失的原因；響應(yīng)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制的結(jié)果做出正確、及時(shí)的響應(yīng)。

·AQM作為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制算法已經(jīng)很成熟，但在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的研究還處于初級(jí)階段，因此，研究AQM算法在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的性能及改進(jìn)機(jī)制將是今后研究的重點(diǎn)。同時(shí)，也可進(jìn)一步探索采用反饋控制、模糊邏輯等輔助措施實(shí)現(xiàn)AQM算法的準(zhǔn)確性和快速收斂性。

4 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特性為傳統(tǒng)擁塞控制算法在該環(huán)境下的性能造成了負(fù)面影響，為此，近期，研究者們提出了一些改進(jìn)的擁塞控制算法，這些算法主要包括兩個(gè)方面：TCP擁塞控制的改進(jìn)；基于反饋信息的顯式控制機(jī)制。本文圍繞衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特性，分別從算法的實(shí)現(xiàn)原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)等方面對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法進(jìn)行了全面的介紹，最后提出了一些研究熱點(diǎn)。

隨著網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性和復(fù)雜度的增加，為了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，我們需要從利用率、公平性、穩(wěn)定性和收斂速度等多個(gè)方面綜合設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法。最近有研究者嘗試把模糊控制、博弈論應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的設(shè)計(jì)，為擁塞控制研究開(kāi)辟了新的思路。未來(lái)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁塞控制需要從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行深入研究，建立一個(gè)符合該環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)模型。

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