用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空間通信協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)?

張 濤，，牛明濤，馮振明

（1.總參信息化部駐航天科技集團(tuán)軍事代表室，北京100015；2.北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院衛(wèi)星通信研究中心，北京100871；3.清華大學(xué)電子學(xué)系衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空間通信協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)?

張 濤1，??，牛明濤2，馮振明3

（1.總參信息化部駐航天科技集團(tuán)軍事代表室，北京100015；2.北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院衛(wèi)星通信研究中心，北京100871；3.清華大學(xué)電子學(xué)系衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中傳輸控制協(xié)議（TCP）傳輸性能不理想的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于空間通信協(xié)議的網(wǎng)關(guān)。在網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，優(yōu)化了Vegas擁塞控制算法的參數(shù)，并通過(guò)空間通信協(xié)議連接表實(shí)現(xiàn)了對(duì)多連接的支持。衛(wèi)星通信模擬系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)衛(wèi)星鏈路具有高誤碼率和大傳輸延時(shí)（大于1 000ms）情況下，該網(wǎng)關(guān)的性能與直接使用TCP相比，平均吞吐量提高比達(dá)10∶1，且多連接情況下各連接之間競(jìng)爭(zhēng)帶寬的公平性表現(xiàn)較為滿(mǎn)意。

衛(wèi)星通信；空間通信協(xié)議；參數(shù)優(yōu)化；多連接

1 引 言

傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）作為互聯(lián)網(wǎng)中的核心協(xié)議，在地面互聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于衛(wèi)星通信環(huán)境誤碼率高、傳輸延時(shí)長(zhǎng)、前返向鏈路帶寬不對(duì)稱(chēng)等特點(diǎn)，TCP協(xié)議直接應(yīng)用到衛(wèi)星通信中性能并不理想［1］。20世紀(jì)末，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)針對(duì)空間通信的特點(diǎn)，提出了一套空間通信協(xié)議（Space Communication Protocol Specification，SCPS）［2］。SCPS傳輸層（SCPSTP）應(yīng)用的主要實(shí)現(xiàn)方式為傳輸層的雙網(wǎng)關(guān)方式［3］，以此來(lái)互聯(lián)地面通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)。用戶(hù)現(xiàn)有的基于TCP協(xié)議的應(yīng)用程序不需要改變，同時(shí)可以在衛(wèi)星鏈路中獲得更好的傳輸性能。

我國(guó)對(duì)SCPS協(xié)議的研究起步較晚，目前的研究工作多集中于協(xié)議分析和基于NS或OPNET平臺(tái)的仿真分析［4－5］，而實(shí)際的SCPS網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品較少。文獻(xiàn)［6］中實(shí)現(xiàn)了一種面向深空的SCPS網(wǎng)關(guān)。這些SCPS網(wǎng)關(guān)和直接使用TCP相比，在小傳輸延時(shí)（小于250ms）情況下的性能增強(qiáng)值大致為8∶1到10∶1的范圍［7］，且對(duì)多連接的支持并不完善。針對(duì)大傳輸延時(shí)的情況，我們嘗試對(duì)SCPS網(wǎng)關(guān)Vegas算法的參數(shù)配置進(jìn)行優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步提高網(wǎng)關(guān)性能，并通過(guò)對(duì)連接表的設(shè)計(jì)來(lái)完善多連接情況下的網(wǎng)關(guān)性能。

通過(guò)高仿真的衛(wèi)星通信鏈路平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，本SCPS網(wǎng)關(guān)的性能與直接使用TCP相比，在大傳輸延時(shí)情況下（大于1 000ms）性能增強(qiáng)值達(dá)到10∶1，且多連接情況下各連接之間競(jìng)爭(zhēng)帶寬的公平性較好。

2 Vegas擁塞控制算法的優(yōu)化

擁塞控制算法是SCPS協(xié)議的核心技術(shù)之一。與標(biāo)準(zhǔn)TCP中使用的Van Jacobson擁塞控制算法不同，SCPS采用更適應(yīng)衛(wèi)星通信環(huán)境的Vegas擁塞控制算法。相對(duì)于Van Jacobson算法，Vegas算法采用了一種更有效的帶寬估計(jì)策略，根據(jù)由往返延時(shí)（Round Trip Time，RTT）計(jì)算得出的期望吞吐量與實(shí)際吞吐量之間的差值來(lái)估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)瓶頸處的可用帶寬［8］。Vegas算法的機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞有一定預(yù)測(cè)能力，能夠主動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，但Vegas算法以RTT為主要參數(shù)來(lái)控制發(fā)送窗口變化的方法也存在一定的問(wèn)題。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易發(fā)生變化，這同樣會(huì)導(dǎo)致RTT變化，而Vegas算法本身并不能區(qū)分RTT的增大是由網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的還是由路徑變化造成的。

我們?cè)赩egas算法中對(duì)參數(shù)優(yōu)化采用了近年來(lái)研究較多的非線性記憶（Nonlinear Auto-Regressive Moving Average，NARMA）模型［9］，此模型可以準(zhǔn)確并快速地對(duì)含有非線性特性和記憶效應(yīng)的信號(hào)變換進(jìn)行計(jì)算，并且可以加入自適應(yīng)機(jī)制來(lái)更新當(dāng)前最小往返延時(shí)（BaseRTT），從而制定擁塞窗口的調(diào)整策略。此外，在優(yōu)化方案中引入概率執(zhí)行方式，即對(duì)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，在執(zhí)行時(shí)乘以概率因子p，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化的隨機(jī)性，p可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況自行調(diào)節(jié)，取值范圍在0.8～1.0。優(yōu)化后的Vegas算法通過(guò)NARMA模型計(jì)算出下一個(gè)RTT的期望值ExpectRTT。圖1顯示了擁塞控制策略的流程。

圖1 Vegas算法參數(shù)優(yōu)化流程圖

3 SCPS-TP連接表的設(shè)計(jì)

SCPS-TP連接表用于支持多連接。SCPS-TP是面向連接的協(xié)議，每個(gè)連接可以打開(kāi)很長(zhǎng)時(shí)間。為了控制這些連接，使用一個(gè)結(jié)構(gòu)體（tp－socket）來(lái)保持每一個(gè)連接的相關(guān)信息，包括連接狀態(tài)、收發(fā)緩沖區(qū)指針、收發(fā)包序列號(hào)、RTT時(shí)間等。由于任何時(shí)候都可能有多個(gè)連接，因此以表的形式來(lái)保存tpsocket的數(shù)組。在網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)在連接表中查找相應(yīng)的tp－socket，若未找到，則創(chuàng)建新的tp－socket，然后進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換等操作并設(shè)置tp－socket，最后將tp－socket更新到SCPS-TP連接表中。圖2描述了連接表的設(shè)計(jì)邏輯。

圖2 SCPS－TP連接表更新流程圖

4 SCPS網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

在分析SCPS協(xié)議的基礎(chǔ)上，將SCPS網(wǎng)關(guān)劃分為9個(gè)模塊和一個(gè)SCPS-TP連接表，如圖3所示。

圖3 SCPS網(wǎng)關(guān)軟件模塊劃分圖

主要模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法如下。

（1）網(wǎng)關(guān)調(diào)度主模塊

整個(gè)SCPS網(wǎng)關(guān)軟件的控制核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理的總體調(diào)度，利用其他模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、連接狀態(tài)控制、流量控制等功能。其調(diào)度基本原理是：首先進(jìn)行SCPS初始化工作，然后啟動(dòng)主服務(wù)線程tp，此線程是一個(gè)循環(huán)等待處理線程，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)包時(shí)，tp線程會(huì)進(jìn)行相應(yīng)處理，并維護(hù)連接狀態(tài)。

（2）SCPS-TP處理模塊

用于提供端到端之間的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸。需要實(shí)現(xiàn)SCPS-TPSocket的一般發(fā)送、連接、讀寫(xiě)等命令的接口函數(shù)。

（3）SCPS-NP處理模塊

用于收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和包路由控制。

（4）SCPS-SP處理模塊

用于提供端到端之間的安全保護(hù)服務(wù)。

（5）ACK處理模塊

用來(lái)處理確認(rèn)信息，其中核心的處理包括Vegas擁塞控制算法和SNACK機(jī)制兩部分。Vegas算法中最佳往返傳輸延時(shí)值（rttbest）的更新方法：通過(guò)接收端對(duì)上個(gè)窗口發(fā)送數(shù)據(jù)的ACK，發(fā)送端可以獲得上個(gè)RTT的一組樣本，取其中最小者作為新的rttbest的值。SCPS-TP的選擇性否定確認(rèn)機(jī)制（SNACK）要求收發(fā)雙方均支持SNACK選項(xiàng)。在連接建立的前兩個(gè)包（即SYN包和SYN-ACK包）中發(fā)送方和接收方分別表明是否支持SNACK選項(xiàng)。在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，考慮到衛(wèi)星通信環(huán)境特點(diǎn)，數(shù)據(jù)包錯(cuò)序的情況有一定概率發(fā)生，為了給未按順序到達(dá)的數(shù)據(jù)包留更多時(shí)間到達(dá)，采用了SNACK延遲發(fā)送的機(jī)制。

5 SCPS網(wǎng)關(guān)的測(cè)試

為了驗(yàn)證使用SCPS網(wǎng)關(guān)對(duì)衛(wèi)星通信環(huán)境中TCP性能的改善效果，在高仿真衛(wèi)星鏈路模擬系統(tǒng)中進(jìn)行了性能測(cè)試。

5.1 測(cè)試環(huán)境

根據(jù)SCPS網(wǎng)關(guān)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)。這里使用高仿真的衛(wèi)星信道模擬器代替衛(wèi)星信道部分，可通過(guò)配置來(lái)模擬衛(wèi)星前返向信道的誤碼率、延時(shí)、帶寬、抖動(dòng)等參數(shù)信息。與實(shí)際衛(wèi)星信道的對(duì)比測(cè)試表明，衛(wèi)星信道模擬器可較好地模擬真實(shí)衛(wèi)星通信環(huán)境特點(diǎn)。具體測(cè)試系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 SCPS網(wǎng)關(guān)測(cè)試系統(tǒng)框圖

5.2 誤碼率對(duì)傳輸性能的影響

圖5顯示了衛(wèi)星信道模擬器前向信道帶寬50 Mb/s，返向信道帶寬0.5 Mb/s，往返傳輸延時(shí)1 100ms，測(cè)試信道誤碼率分別為10－8、10－7、10－6、10－5、10－4時(shí)，使用SCPS網(wǎng)關(guān)和直接使用TCP時(shí)的信道平均吞吐量的對(duì)比。

圖5 平均傳輸速率隨誤碼率變化曲線圖

由圖5可見(jiàn)：無(wú)論是SCPS-TP還是TCP，隨著誤碼率的增高，平均傳輸速率都下降。在相同誤碼率下，使用SCPS網(wǎng)關(guān)時(shí)的平均傳輸速率明顯高于直接使用TCP時(shí)的平均傳輸速率。特別是傳輸延時(shí)1 100ms情況下，使用網(wǎng)關(guān)相對(duì)于直接使用TCP性能提升比可達(dá)到10∶1，接近其他文獻(xiàn)中小傳輸延時(shí)情況下的表現(xiàn)［7，10］。

考察相同誤碼率下使用SCPS-TP和TCP時(shí)吞吐量的穩(wěn)定性。圖6分別是誤碼率為10－7時(shí)，使用SCPS-TP和TCP時(shí)的吞吐量變化曲線圖。

圖6 使用TCP和SCPS－TP時(shí)吞吐量變化曲線

由圖6可見(jiàn)：使用SCPS-TP時(shí)吞吐量波動(dòng)范圍較小，而使用TCP時(shí)吞吐量的波動(dòng)范圍很大。這是因?yàn)楫?dāng)出現(xiàn)誤碼導(dǎo)致錯(cuò)包、丟包時(shí)，TCP根據(jù)Van Jacobson擁塞控制算法會(huì)立即將擁塞窗口減半，這樣的處理會(huì)使擁塞窗口大小波動(dòng)較大，進(jìn)而影響吞吐量。SCPS-TP使用Vegas擁塞控制算法此時(shí)并不會(huì)立即減小擁塞窗口，而是根據(jù)RTT來(lái)判斷，即使需要減小擁塞窗口，也只是減小1個(gè)最大分段長(zhǎng)度（MSS），這樣可以使擁塞窗口的大小相對(duì)穩(wěn)定，進(jìn)而使吞吐量相對(duì)穩(wěn)定。相對(duì)于文獻(xiàn)［11］，我們?cè)O(shè)計(jì)的SCPS-TP網(wǎng)關(guān)在大傳輸延時(shí)情況下的表現(xiàn)在吞吐量的穩(wěn)定性更好。

5.3 多連接時(shí)各連接間競(jìng)爭(zhēng)帶寬的公平性

在連接表的設(shè)計(jì)中考慮了多連接的性能。在高仿真衛(wèi)星鏈路系統(tǒng)的測(cè)試中，SCPS網(wǎng)關(guān)可同時(shí)支持至少1 000個(gè)連接。為了定量的考察多連接時(shí)各連接之間競(jìng)爭(zhēng)帶寬的公平性，分別測(cè)試連接數(shù)為4時(shí)使用SCPS網(wǎng)關(guān)和直接使用TCP時(shí)的傳輸性能。

在估算各個(gè)連接之間競(jìng)爭(zhēng)帶寬的公平性，使用如下公平性評(píng)價(jià)方法：比例公平性。比例公平性基本思想：共有n條數(shù)據(jù)流通過(guò)一條鏈路，每個(gè)流應(yīng)該占用總帶寬的1/n。設(shè)數(shù)據(jù)流i在t時(shí)刻實(shí)際占用xi（t）帶寬，那么在t時(shí)刻的公平度C可以用下面的等式來(lái)定義［12］：

從方程（1）可以看出，當(dāng)xi（t）相同時(shí)，C取到最大值。使用SCPS網(wǎng)關(guān)時(shí)，C＝0.988，直接使用TCP時(shí)，C＝0.907。可見(jiàn)使用SCPS網(wǎng)關(guān)時(shí)比直接使用TCP時(shí)各連接之間競(jìng)爭(zhēng)帶寬的公平性更好。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 使用SCPS-TP網(wǎng)關(guān)和直接使用TCP時(shí)各連接平均傳輸速率對(duì)比圖

6 結(jié)論

本文針對(duì)TCP在高誤碼率、長(zhǎng)傳輸延時(shí)的衛(wèi)星通信環(huán)境中性能不理想的問(wèn)題，在分析SCPS協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種SCPS網(wǎng)關(guān)軟件，并搭建測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行傳輸性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用基于SCPS-TP協(xié)議的SCPS網(wǎng)關(guān)時(shí)相對(duì)于直接使用TCP傳輸時(shí)抗誤碼性能更好，更適應(yīng)衛(wèi)星通信環(huán)境傳輸延時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)?？傊褂肧CPS網(wǎng)關(guān)對(duì)衛(wèi)星通信環(huán)境中的TCP性能有較好的改善效果。

目前，我國(guó)對(duì)SCPS協(xié)議的研究相對(duì)落后，研究工作多集中于協(xié)議分析和協(xié)議仿真，缺少高質(zhì)量的研究成果和成熟的SCPS產(chǎn)品，所以更應(yīng)該加大對(duì)空間通信協(xié)議的研究力度，這項(xiàng)工作是非常有意義的，一方面，可以切實(shí)改善衛(wèi)星通信環(huán)境中的TCP性能，從而推動(dòng)我國(guó)的衛(wèi)星通信事業(yè)和航天事業(yè)的發(fā)展；另一方面，也在空間通信技術(shù)方面更好地與國(guó)際接軌，從而使我國(guó)的衛(wèi)星通信技術(shù)走向國(guó)際化。

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張濤（1983—），男，河北保定人，2005年于解放軍理工大學(xué)獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為總參信息化部駐航天科技集團(tuán)軍代表室工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)；

ZHANG Tao was born in Baoding，Hebei Province，in 1983.He received the B.S.degree from PLA University of Science and Technology in 2005.He isnow an engineer.His research concerns satellite communications systems.

Email：junzhongtaozai＠163.com

牛明濤（1986—），男，河北保定人，2009年于北京大學(xué)獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為北京大學(xué)衛(wèi)星通信研究中心研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

NIUMing-taowasborn in Baoding，HebeiProvince，in 1986.He received the B.S.degree from Peking University in 2009.He is now a graduate student.His research concerns networking technology of satellite communications systems.

馮振明（1946—），男，1970年、1981年和1985年分別于清華大學(xué)電子工程系獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位、碩士學(xué)位和博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、博士生導(dǎo)師、IEEE高級(jí)會(huì)員，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航和定位技術(shù)。

FENG Zhen-ming was born in 1946.He received the B.S.degree，the M.S.degree and the Ph.D.degree from Tsinghua University in 1970，1981 and 1985，respectively.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor，an IEEE senior member.His research concerns navigation and positioning technology in satellite communications systems.

Design of SCPSGateway in Satellite Comm unications System

ZHANG Tao1，NIU Ming-tao2，F(xiàn)ENG Zhen-ming3
（Military Delegate Office in CASTC，ITDepartment，PLA Headquarters of the General Staff，Beijing 100015，China；
2.Satellite Communications Research Centre，School of Electronics Engineering and Computer Science，Peking University，Beijing 100871，China；3.Satellite Navigation Laboratory，Departmentof Electronics，Tsinghua University，Beijing 10080，China）

Due to the unsatisfactory transmission performance of TCP in satellite communications systems，a Space Communication Protocol Specification（SCPS）based gateway is designed and realized.In the design，the parameters are optimized in Vegas algorithm，and also the support ofmulti-connection is realized by using SCPS connection form.Test in a simulated satellite communications system showswhen the channel is set to be a high bit error rate and large transmission delay（＞1000ms），the designed SCPS based gateway′s throughput increases by 10 times compared with TCPgateway，and the fairness among various connections is satisfactory inmulti-connectionmode.

satellite communications；SCPS；parameter optimization；multi-connectionmode

TN927；TN915

A

1001－893X（2013）03－0335－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.021

2012－08－01；

2012－11－14 Received date：2012－08－01；Revised date：2012－11－14

??通訊作者：junzhongtaozai＠163.com Corresponding author：junzhongtaozai＠163.com