基于OPNET的SCPS-TP協(xié)議的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張連連 戴澤華 葛 宇 鄧全才

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000；2.張家口市交通局，河北 張家口075000）

0 前 言

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有良好的全球／區(qū)域覆蓋能力、可移動性、可擴(kuò)展性，使得其成功地應(yīng)用于全球話音業(yè)務(wù)、電視轉(zhuǎn)播業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)等各個方面.但是，星載設(shè)備處理能力的限制、星間鏈路的時延、高誤碼率等影響了TCP在衛(wèi)星通信環(huán)境下的性能，阻礙了其在衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用.在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中采用改進(jìn)的TCP／IP協(xié)議以克服衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特性對傳輸性能的影響，是一種切實(shí)可行的方法.SCPS是由NASA JPL和CCSDS組織設(shè)計開發(fā)的專門用于解決一系列空間信道的問題并提供可靠空問數(shù)據(jù)通信的協(xié)議簇.SCPS-TP［1］為航空控制命令和數(shù)據(jù)跨越一個或多個不可靠空間鏈路時提供端到端的可靠傳輸.

1 空間通信中的問題對TCP協(xié)議的影響

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不同于地面有線網(wǎng)絡(luò)，具有鏈路傳播時延長、網(wǎng)絡(luò)的帶寬時延積大、鏈路的高差錯率和不對稱性等方面的特殊性.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)對TCP［2］性能的不利影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 高誤碼率

在沒有差錯控制編碼的情況下，衛(wèi)星鏈路典型的BER大約是10-6，然而TCP成功傳輸所需要的BER是10-8數(shù)量級或者更低.TCP認(rèn)為地面鏈路中大多數(shù)丟失的分組是由擁塞引起的，當(dāng)高BER造成數(shù)據(jù)分組丟失時，TCP層認(rèn)為是出現(xiàn)了擁塞故障，并自動采取擁塞控制，這樣就降低了吞吐量.

1.2 高往返時延RTT（Round Trip Time）

往返時間是指從發(fā)送一個TCP信息段到接收到相應(yīng)的ACK信號所經(jīng)歷的時間間隔.對于GEO衛(wèi)星，從地球站到衛(wèi)星的距離約40000km左右，往返傳播路徑就是4×40000km＝160000km，傳播時延為160000／3×108s＝0.532s.RTT為地面電路的傳播時延和信號處理時延，RTT的值一般取0.55s.遲緩的反饋將消弱TCP速率調(diào)節(jié)控制的效果和回避網(wǎng)絡(luò)擁塞的能力，從而導(dǎo)致吞吐量的降低.

1.3 高帶寬時延積（Bandwidth Delay Product，BDP）

BDP為鏈路的最大有效帶寬與RTT的乘積.高BDP要求TCP的發(fā)送窗口足夠大以使鏈路帶寬能被充分利用；由于在“空中”未確認(rèn)的數(shù)據(jù)量很大，對于包丟失和擁塞的反應(yīng)慢，一旦有丟包發(fā)生，可能造成數(shù)據(jù)大量重傳.“管道效應(yīng)”表現(xiàn)為TCP／IP協(xié)議的最大數(shù)據(jù)吞吐量（即最大傳輸速率）受到限制.按照TCP／IP協(xié)議的滑動窗口控制策略，最大傳輸帶寬與信道的RTT和接收窗口有關(guān)即：最大數(shù)據(jù)吞吐量＝最大接收窗口／RTT.在TCP協(xié)議中最大接收窗口為64 KB，同步衛(wèi)星信道的雙跳時延560 ms.則衛(wèi)星信道中的最大數(shù)據(jù)吞吐量約為0.94 Mbit／s.即使衛(wèi)星信道的發(fā)送速率超過0.94 Mbit／s，它實(shí)際的最大傳輸速率也被限制在0.94 Mbit／s.

1.4 可變往返時間（Variable RTT）

當(dāng)使用較低軌道的衛(wèi)星時，如那些運(yùn)行在LEO或MEO衛(wèi)星，其傳播時延要比GEO的時延小得多.到LEO軌道的傾斜距離最大約在幾千千米量級，而對MEO軌道大約是幾萬千米.這些軌道存在的問題是不斷變化的時延.例如LEO衛(wèi)星，時延可在幾個毫秒到約80毫秒之間變化.

1.5 不對稱鏈路

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中TCP的前向和反向鏈路受到某些衛(wèi)星終端能力的限制在帶寬上有著很大的不對稱性，即前向鏈路的有效帶寬遠(yuǎn)大于反向鏈路的帶寬.反向鏈路帶寬的不足，將導(dǎo)致ACK確認(rèn)包的擁塞和丟失，并使得對TCP發(fā)送端的確認(rèn)具有突發(fā)特性.這會導(dǎo)致發(fā)送的數(shù)據(jù)流變得更具突發(fā)性，并且降低了窗口增大的速率，延誤了新的數(shù)據(jù)包的發(fā)送.

2 SCPS-TP協(xié)議

OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真［3］軟件提供了三層建模機(jī)制，分別為進(jìn)程模型，節(jié)點(diǎn)模型和網(wǎng)絡(luò)模型，這種建模方式和實(shí)際協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)完全對應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性.標(biāo)準(zhǔn)TCP進(jìn)程模型由父子進(jìn)程組成：父進(jìn)程負(fù)責(zé)與應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行交互，根據(jù)交互信息調(diào)用子進(jìn)程處理TCP連接；子進(jìn)程根據(jù)父進(jìn)程傳遞的交互信息執(zhí)行TCP連接的建立、維護(hù)和終止.SCPS-TP針對空間通信的高誤碼率、長往返時延、非對稱信道、間歇性鏈路中斷等問題在標(biāo)準(zhǔn)TCP的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些擴(kuò)展和改進(jìn)，主要采用了選擇否定重傳（SNACK）改善其在高誤碼環(huán)境下的吞吐量；采用TCP Vegas的擁塞控制機(jī)制避免了數(shù)據(jù)包周期性丟失的問題；同時采用TCP Vegas及延時的ACK機(jī)制等改善傳輸協(xié)議在非對稱鏈路中的性能.

為了更好的研究SCPS-TP協(xié)議在空間通信中的性能，本文在標(biāo)準(zhǔn)TCP進(jìn)程模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了SCPS-TP的進(jìn)程模型.由于SCPS-TP只是對TCP的幾個方面進(jìn)行了修改，并沒有修改TCP整體協(xié)議框架，所以在實(shí)現(xiàn)時只需要在OPNET標(biāo)準(zhǔn)TCP模型子進(jìn)程中修改并新增相應(yīng)的函數(shù).實(shí)現(xiàn)SCPS-TP進(jìn)程模型主要分為三個部分：實(shí)現(xiàn)SCPS-TP使用的Vegas擁塞控制機(jī)制；實(shí)現(xiàn)SCPS-TP的SNACK選項(xiàng)；實(shí)現(xiàn)SCPS-TP的延時ACK機(jī)制.

2.1 SCPS-TP的Vegas擁塞控制機(jī)制

TCP Vegas［4］根 據(jù) 觀 測RTT的變化來判斷網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，對發(fā)送速率做出相應(yīng)的調(diào)整.設(shè)連接建立后Vegas發(fā)送端觀測到的最小往返時間（BaseRTT），當(dāng)前往返時間為RTT，當(dāng)前發(fā).Vegas擁塞控制機(jī)制流程如圖1所示，在TP的發(fā)送端收到接收端回復(fù)的ACK后將調(diào)用根據(jù)下式來計算擁塞窗口的大小，對擁塞窗口進(jìn)行調(diào)整.

圖1 TCP Vegas實(shí)現(xiàn)流程圖

其中diff為Vegas估計的網(wǎng)絡(luò)中排隊(duì)的數(shù)據(jù)包數(shù)量：diff ＝ （THF－THA）×BaseRTT 吞吐量的期望值為：THF＝cwnd／BaseRTT；實(shí)際的吞吐量為：THA＝cwnd／RTT.兩個門限α、β（α＜β），表示欲使緩存中放的數(shù)據(jù)包最小和最大值，一般給定為1kbps、3kbps.Vegas根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況主動調(diào)節(jié)，使擁塞窗口的保持在網(wǎng)絡(luò)帶寬時延積附近能有效避免擁塞.

2.2 SCPS-TP的SNACK選項(xiàng)

SNACK機(jī)制借鑒了SACK［5］和NAK中的思想，TP接收端如圖2所示在收到亂序的數(shù)據(jù)包時，在回復(fù)的ACK中添加一個字段通過位向量表示法把一個或多個未接收到的數(shù)據(jù)按位向量的方式通告SCPS-TP發(fā)送端.TP發(fā)送端如圖3示在收到含有SNACK選項(xiàng)的ACK時需要記錄未收到的數(shù)據(jù)包段，并按序列號更新未收到的的數(shù)據(jù)包列表，重傳丟失的數(shù)據(jù)包.

圖2 TP接收端流程圖

圖3 TP發(fā)送端流程圖

2.3 SCPS-TP的延時 ACK機(jī)制

衛(wèi)星遙控遙測通信場景中，前反向鏈路速率不對稱情況非常明顯.當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，大量ACK的產(chǎn)生可能超過鏈路的負(fù)載能力，從而導(dǎo)致吞吐量的降低.SCPS-TP借鑒了TCP中每隔一個數(shù)據(jù)包發(fā)送ACK數(shù)據(jù)的思想，同時廢止了TCP每收到一個數(shù)據(jù)包都回復(fù)ACK數(shù)據(jù)的機(jī)制，而采取了延時的ACK機(jī)制.延時的ACK機(jī)制是根據(jù)TCP估計的RTT來設(shè)置ACK數(shù)據(jù)的頻率范圍.在接收端每隔一定的時間間隔（與RTT相關(guān)）回復(fù)一個ACK.如間隔一個RTT發(fā)送一個ACK或者間隔RTT／8發(fā)送1個ACK（即一個RTT發(fā)送8個ACK）.

2.4 對標(biāo)準(zhǔn)TCP進(jìn)行的修改

為實(shí)現(xiàn)SCPS-TP的功能，在標(biāo)準(zhǔn)TCP模型子進(jìn)程Function Block中增加了SNACK選項(xiàng)的相關(guān)函數(shù)，并修改了其中的一些函數(shù)使其符合TP協(xié)議功能的相關(guān)原則，具體如表1和表2所示.

3 總 結(jié)

本文分析了空間通信中存在高誤碼率、長往返時延、非對稱信道、間歇性鏈路中斷等問題對TCP協(xié)議的影響；介紹了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會CCSDS提出的SCPS-TP協(xié)議，并使用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了SCPS-TP協(xié)議.

表1 實(shí)現(xiàn)SNACK選項(xiàng)增加的主要函數(shù)

表2 修改的標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議的函數(shù)

［1］CCSDS 714.0-B-1.Space Communications Protocol Specification-Transport Protocol（SCPS-TP）［R］.Washington，DC，USA：CCSDS Secretariat，October 2006

［2］陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：1～281

［3］W Stevens.RFC 2001 TCP slow-start，congestion avoidance，fast retransmit，and fast recover algorithms［S］.January 1997

［4］Brakmo L.S.，Peterson L.L.TCP Vegas：end-to-end congestion avoidance on a global Internet［J］.IEEE Journal On Selected Areas In Communications，1995，13（6）：1465～1480

［5］Mathis，J.Mahdavi，S.Floyd，and A.Romanow.RFC 2018，“TCP selective acknowledgment options”［S］.October 1996