區(qū)域覆蓋LEO星座網(wǎng)絡(luò)中TCP協(xié)議性能仿真

楊 森，吳 彥， 戰(zhàn)文杰

0 引言

星座衛(wèi)星通信是今后衛(wèi)星通信的主要發(fā)展方向之一，能夠支持多業(yè)務(wù)、多速率、多頻段、多體制、多軌道類型，能夠有效解決目前中國(guó)衛(wèi)星通信空間段資源不足、軌道類型單一、覆蓋范圍小、體系不完善、建設(shè)規(guī)模小、抗攻擊能力差、無(wú)星間鏈路、網(wǎng)絡(luò)化水平低、信息綜合能力弱等方面的問(wèn)題[1]。而且因其寬覆蓋范圍、優(yōu)良的傳播能力和不受各種地域條件限制等優(yōu)點(diǎn)成為無(wú)線因特網(wǎng)接入的重要途徑。但是就中國(guó)實(shí)際國(guó)情，目前還難以建成一個(gè)能夠覆蓋全球的星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，而首先建立一個(gè)區(qū)域覆蓋的星座系統(tǒng)，然后向全球覆蓋過(guò)渡，不但可行而且需要，這里研究的對(duì)象就是能夠覆蓋中國(guó)領(lǐng)土的24/3/1區(qū)域覆蓋Walker星座。

目前，24星Walker星座還處于理論研究和驗(yàn)證階段，對(duì)于該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能，特別是對(duì)于TCP協(xié)議在該網(wǎng)絡(luò)中的性能，沒(méi)有現(xiàn)成的資料和數(shù)據(jù)可供參考。信道速率、分組長(zhǎng)度、發(fā)送窗口的大小和誤碼率等條件的不同組合都會(huì)對(duì)TCP協(xié)議性能產(chǎn)生不同的影響[2]，首先在NS2中建立了24星的星座網(wǎng)絡(luò)模型[3]，然后在該模型下通過(guò)仿真給出TCP協(xié)議在各種情況下性能表現(xiàn)，為下一步的工作提供理論參考。

1 低軌星座衛(wèi)星通信中TCP協(xié)議的特殊性

TCP協(xié)議是一種端到端的協(xié)議，為了進(jìn)行流量控制和擁塞控制，該協(xié)議采用了慢啟動(dòng)、擁塞避免和滑動(dòng)窗等機(jī)制，在地面網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行非常成功。雖然與靜止衛(wèi)星通信相比，低軌星座衛(wèi)星通信的通信時(shí)延小很多，TCP協(xié)議中慢啟動(dòng)算法帶來(lái)的問(wèn)題并不明顯[4]。但是，低軌星座衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有變化幅度很大的分組往返時(shí)延（RTT，Round-Trip Time）、頻繁的切換、較高的信道誤碼率及信號(hào)衰落等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得TCP協(xié)議在衛(wèi)星移動(dòng)信道中的效率受到較大影響。

①衛(wèi)星移動(dòng)引起信道的頻繁切換和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟粩嘧兓?，使得分組的傳輸時(shí)延大幅變化，而且在某些時(shí)刻信道的分組丟失率極高；②雨衰、多徑衰落、陰影效應(yīng)和切換等都會(huì)造成信道的誤碼率急劇增加，造成數(shù)據(jù)分組在衛(wèi)星信道上的丟失，而TCP協(xié)議無(wú)法區(qū)分由于擁塞和鏈路惡化造成的分組丟失，卻統(tǒng)一認(rèn)為是由于擁塞而引起的，這就會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，而且當(dāng)確認(rèn)符（ACK，ACKnowledge Character）分組丟失時(shí)，吞吐量會(huì)進(jìn)一步惡化[5]。

2 仿真模型

現(xiàn)采用比較流行的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2進(jìn)行建模和仿真[3]，在該軟件下建立了一個(gè)24星的區(qū)域覆蓋的星座網(wǎng)絡(luò)模型，基于該模型對(duì)星座通信網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行仿真。

2.1 區(qū)域覆蓋星座網(wǎng)絡(luò)模型

在NS2中建立一種區(qū)域覆蓋的24/3/1Walker星座網(wǎng)絡(luò)模型，該星座提供帶狀覆蓋區(qū)，可以覆蓋中國(guó)全部領(lǐng)土。星座中共有3個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面的8顆衛(wèi)星建有持續(xù)的星際鏈路，軌道面之間依次通過(guò)不同的衛(wèi)星建立“接力型”星際鏈路，其中異軌衛(wèi)星間的“建鏈”情況如表1所示。

2.2 NS2中仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

在NS2中除了設(shè)置星座系統(tǒng)的基本參數(shù)外，對(duì)星座網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景的設(shè)置如表2所示。

表2 星座網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景

3 仿真結(jié)果

3.1 網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延

首先為了給出該網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延，在位于北京和廣州的兩個(gè)終端之間建立用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP，User Datagram Protocol）連接，承載固定碼率（CBR，Constants Bit Rate）業(yè)務(wù)，假設(shè)上下行鏈路帶寬均為256 kb/s，分別給出網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)回歸周期內(nèi)和一個(gè)軌道周期內(nèi)的時(shí)延特性如圖1和圖2所示。

圖1 一個(gè)回歸周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

圖2 一個(gè)軌道周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

在星座網(wǎng)絡(luò)中，隨著星際鏈路的切換，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)發(fā)生巨大變化，但由于星座運(yùn)行的規(guī)律性，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)也呈現(xiàn)出規(guī)律性。圖1給出了一個(gè)軌道回歸周期的時(shí)延，也就是說(shuō)該網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延以回歸周期為周期重復(fù)。為了清楚的看到星座拓?fù)渥兓o傳輸延時(shí)帶來(lái)的影響，圖2給出了一個(gè)軌道周期內(nèi)的時(shí)延變化情況，可以看到隨著經(jīng)過(guò)的衛(wèi)星跳數(shù)變化，時(shí)延急劇變化。

3.2 TCP性能與信道速率和窗口大小的關(guān)系

同時(shí)，TCP協(xié)議的性能受到很多因素的影響，比如信道速率、分組長(zhǎng)度、窗口大小、時(shí)延以及鏈路丟包率等，下面給出星座網(wǎng)絡(luò)中各種條件下的TCP性能，主要用平均吞吐量和平均分組傳輸時(shí)延衡量。由于在NS當(dāng)中窗口大小是以分組數(shù)為單位的，因此，窗口大小和分組長(zhǎng)度共同構(gòu)成TCP中窗口，而且NS中的單向TCP協(xié)議的接收窗口通過(guò)初始設(shè)置為固定值。

當(dāng)接收窗口為40個(gè)分組時(shí)，在各種信道速率下，吞吐量和分組傳輸時(shí)延與信道速率和分組長(zhǎng)度之間的關(guān)系如圖3和圖4所示。

固定NS中的窗口，不斷調(diào)整分組長(zhǎng)度等效于調(diào)整窗口的效果，從圖3可以看出，不管信道速率大小，增加分組長(zhǎng)度對(duì)吞吐量的提升并不是很明顯，當(dāng)分組長(zhǎng)度從200增加到1 000字節(jié)時(shí)，吞吐量大約增加20%。但對(duì)分組傳輸時(shí)延的影響卻較大，當(dāng)分組長(zhǎng)度從200增加到1 000字節(jié)時(shí)，分組傳輸時(shí)延增加3倍。

圖3 吞吐量、信道速率和分組長(zhǎng)度的關(guān)系

圖4 分組傳輸時(shí)延、信道速率和分組長(zhǎng)度的關(guān)系

3.3 TCP各改進(jìn)版本的比較

目前，針對(duì)各種特殊的信道條件已經(jīng)提出了多種TCP的改進(jìn)版本。主要有：

①Tahoe：傳統(tǒng)的 TCP，基于丟包的擁塞避免和快速重傳，慢啟動(dòng)。

②Reno：Tahoe對(duì)丟包非常敏感，1%的丟包率會(huì)導(dǎo)致吞吐率降低50%～75%。Reno在Tahoe基礎(chǔ)上增加了快速恢復(fù)，可以一定程度上緩解這一問(wèn)題。

③Newreno：Reno的快速恢復(fù)算法在“快速恢復(fù)”了第一個(gè)丟失的segment，即收到一個(gè)非重復(fù)、有效的ACK之后就退出了快速恢復(fù)。這樣當(dāng)同一個(gè)窗口中有多個(gè)segment丟失時(shí)，該算法只能對(duì)第一個(gè)丟失的包進(jìn)行快速恢復(fù)，導(dǎo)致性能降低。Newreno的快速恢復(fù)算法做了小小的改進(jìn)：在收到非重復(fù)、有效的ACK之后，只有這個(gè)ACK對(duì)發(fā)生丟包的窗口內(nèi)的所有數(shù)據(jù)做了確認(rèn)，才退出快速恢復(fù)算法。

④Vegas對(duì)傳統(tǒng)TCP做了相當(dāng)大的改進(jìn)，具體如下：a. 更快速的重傳：為了避免對(duì)操作系統(tǒng)粗粒度時(shí)鐘的依賴，Vegas在每次重復(fù)的ACK到來(lái)時(shí)，都檢查對(duì)應(yīng)的segment是否已經(jīng)可以超時(shí)重傳，另外，發(fā)生重傳時(shí)，如果重傳的segment是在上一個(gè)大小的擁塞窗口下發(fā)送的，則不對(duì)擁塞窗口做減半操作，這么做可以避免擁塞窗口被過(guò)分減小導(dǎo)致傳輸性能下降；b. 擁塞預(yù)測(cè)：利用吞吐率的變化調(diào)整擁塞窗口，而不是利用丟包來(lái)檢測(cè)擁塞。每收到一個(gè)有效的ACK，計(jì)算如下三個(gè)值：Expected=WindowSize/BaseRTT；Actual=SentData-ActualRTT；Diff=ExpectedActual，其中，BaseRTT是該連接上觀測(cè)到的最小的 RTT值；ActualRTT是被確認(rèn)segment被發(fā)送到收到 ACK的時(shí)間間隔；SentData是ActualRTT內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)量。Vegas定義兩個(gè)常量a，b（a＜b)，當(dāng)Diff＜a時(shí)，則線性增加擁塞窗口；當(dāng)Diff＞b時(shí)，線性減少擁塞窗口。這種擁塞控制方式是在擁塞將要發(fā)生時(shí)控制，而不是在擁塞發(fā)生后控制；c. 慢啟動(dòng)的改進(jìn)：與擁塞預(yù)測(cè)的改進(jìn)機(jī)制類似，通過(guò)監(jiān)視吞吐率的變化來(lái)決定是否離開慢啟動(dòng)模式。TCP Vegas的最大優(yōu)點(diǎn)在于擁塞機(jī)制的觸發(fā)只與RTT的改變有關(guān)，而與包的具體傳輸時(shí)延無(wú)關(guān)。由于 TCP Vegas不是利用丟包來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)可用帶寬，而是以RTT的變化來(lái)判斷，因此能更精確地預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的可利用帶寬，其公平性、效率都較好。

現(xiàn)在信道速率為256 kb/s、接收窗口為30、分組長(zhǎng)度為800 Byte時(shí)，對(duì)各種版本的TCP協(xié)議在不同丟包率的情況下進(jìn)行了仿真，平均吞吐量和平均時(shí)延分別如圖5和圖6所示。

圖5 各種TCP版本的平均吞吐量比較

圖6 各種TCP版本的平均延時(shí)比較

從圖5可以看出，在窄帶星座衛(wèi)星系統(tǒng)中，F(xiàn)ack的吞吐量始終最小，而NewReno的吞吐量最大，其他幾個(gè)版本的吞吐量都相差不多，而且丟包率不同時(shí)，有不同的性能。吞吐量對(duì)丟包率敏感，隨著丟包率的增加，吞吐量急劇惡化。在圖6中，當(dāng)丟包率小于0.05時(shí)Vegas的時(shí)延明顯小于其他各個(gè)版本的，而且?guī)缀醪皇軄G包率的影響，表現(xiàn)出良好的性能，而其他版本的則相差不多。由于取的是時(shí)延的平均值，因此當(dāng)丟包率稍微增加時(shí)，時(shí)延反而會(huì)變小，但當(dāng)丟包率進(jìn)一步增大時(shí)，時(shí)延則會(huì)迅速惡化。

4 結(jié)語(yǔ)

低軌星座系統(tǒng)由于具有良好的覆蓋性能和較小的分組傳輸時(shí)延，具有很好的應(yīng)用前景，但高的誤碼率和變化的分組時(shí)延給網(wǎng)絡(luò)性能帶來(lái)較大影響，因此，如何利用該系統(tǒng)作為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充進(jìn)行因特網(wǎng)接入是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。這里對(duì)平均吞吐量、平均傳輸時(shí)延與信道速率、窗口大小以及丟包率的關(guān)系進(jìn)行了研究，并在不同丟包率的情況下，比較了TCP各個(gè)該進(jìn)版本的性能，得到了一些有益的結(jié)論，為進(jìn)一步的工作提供參考。

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