TCP/IP在“動(dòng)中通”系統(tǒng)中的問(wèn)題研究

摘 要：針對(duì)“動(dòng)中通”通信鏈路的特點(diǎn)，及TCP/IP協(xié)議的相關(guān)特點(diǎn)和算法，對(duì)TCP/IP協(xié)議在動(dòng)中通鏈路中的幾項(xiàng)缺陷進(jìn)行了研究，并給出了可行的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：動(dòng)中通（SotM）；傳輸控制協(xié)議；協(xié)議改進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.04

1 “動(dòng)中通”信道特性及其對(duì)TCP性能的影響

工作于Ku波段以上的“動(dòng)中通”通信系統(tǒng)讓本應(yīng)使用固定地球站同同步軌道衛(wèi)星通信的通信系統(tǒng)能在運(yùn)動(dòng)中使用，其信道同時(shí)擁有衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特性以及它獨(dú)有的特性，這些特性使得通常應(yīng)用于有線網(wǎng)絡(luò)的TCP協(xié)議在性能上受到了重大的影響。

1.1 長(zhǎng)時(shí)延

1.2 鏈路易終端性

動(dòng)中通鏈路中斷是指網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃查g中斷，引起中斷的原因可能是中繼衛(wèi)星臨時(shí)脫離動(dòng)中通地面站的視野，也就是當(dāng)?shù)孛嬲抉側(cè)腙幱皡^(qū)域時(shí)引起通信短時(shí)間中斷的現(xiàn)象?！皠?dòng)中通”載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，要始終能夠?qū)?zhǔn)衛(wèi)星。而由于載體運(yùn)動(dòng)，動(dòng)中通的信道環(huán)境又較為復(fù)雜，當(dāng)天線波束和目標(biāo)衛(wèi)星之間存在建筑物、涵洞、樹(shù)木、橋梁、隧道等障礙物的遮擋時(shí)，通信鏈路就會(huì)被阻斷，稱(chēng)為動(dòng)中通鏈路的“陰影”問(wèn)題。因此，動(dòng)中通鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐话l(fā)性導(dǎo)致誤碼率相對(duì)于傳統(tǒng)衛(wèi)星信道誤碼率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步有所增加。

同時(shí)，短時(shí)間的鏈路中斷會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的吞吐量下降，嚴(yán)重時(shí)也可能導(dǎo)致TCP連接失效。鏈路中斷還會(huì)導(dǎo)致ACK分組流的穩(wěn)定性降低，進(jìn)而引起TCP的擁塞控制機(jī)制，使發(fā)送端不斷重傳由于超時(shí)或丟失的數(shù)據(jù)報(bào)文段以及重置重傳定時(shí)器。

2 TCP/IP協(xié)議在動(dòng)中通鏈路上的改進(jìn)方法

2.1 端到端協(xié)議改進(jìn)方案

端到端協(xié)議改進(jìn)方案是指將修改后的TCP協(xié)議或全新的TCP協(xié)議置于數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端的協(xié)議棧內(nèi)，使得發(fā)送端與接收端之間仍然只保持一個(gè)連接。其優(yōu)點(diǎn)在于改動(dòng)小能與傳統(tǒng)TCP協(xié)議無(wú)縫對(duì)接，但性能提升有限。

2.1.1 擁塞窗口改進(jìn)方案[3]

由于動(dòng)中通鏈路的往返時(shí)延RTT過(guò)長(zhǎng)，對(duì)于應(yīng)答ACK的傳輸時(shí)延也相對(duì)較長(zhǎng)，而ACK的傳輸緩慢導(dǎo)致TCP的擁塞窗口增長(zhǎng)緩慢，因此一些協(xié)議提出了增大初始發(fā)送窗口的方法，將初始的擁塞窗口的值設(shè)置為多個(gè)MSS，而在發(fā)生超時(shí)重傳時(shí)才將擁塞窗口設(shè)置為一個(gè)MSS大小，這樣更多的數(shù)據(jù)段能夠在第一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸RTT中得到發(fā)送，同時(shí)加快擁塞窗口的增長(zhǎng)速度，在信道上同時(shí)可以有更多的數(shù)據(jù)分組在傳輸，緩解長(zhǎng)時(shí)延帶來(lái)的影響，提高慢啟動(dòng)階段信道利用率。

2.1.2 改進(jìn)擁塞窗口增長(zhǎng)算法

在TCP的擁塞控制機(jī)制中，上行鏈路用于傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)，下行鏈路用于傳輸應(yīng)答數(shù)據(jù)。衛(wèi)星鏈路的非對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致的帶寬受限問(wèn)題嚴(yán)重影響了應(yīng)答數(shù)據(jù)包的傳輸速率，從而也影響到上行鏈路應(yīng)用數(shù)據(jù)包的傳輸速率。同時(shí)，TCP的延遲應(yīng)答機(jī)制使接收端不必每收到一個(gè)數(shù)據(jù)包就發(fā)送一個(gè)ACK，而是每收到兩個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)發(fā)送一個(gè)ACK，所以采用延遲應(yīng)答機(jī)制使ACK的速率降低了一半，擁塞窗口的增長(zhǎng)速率也降低了，這意味著慢啟動(dòng)階段的時(shí)間更長(zhǎng)了，降低了鏈路的帶寬利用率。

改進(jìn)窗口增長(zhǎng)的算法如下：使擁塞窗口不是每收到一個(gè)ACK增加一個(gè)數(shù)據(jù)包，而是增長(zhǎng)到ACK所包含的新到數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)。這樣，TCP的擁塞窗口增長(zhǎng)速率將不會(huì)受到ACK傳輸速率低的影響。

2.2 分裂連接方案

常用的兩個(gè)TCP分裂連接方法是TCP-Spoofing和TCP-Splitting。其中，TCP-Spoofing需要破壞TCP鏈接的語(yǔ)義性，而隨著緩存技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不斷革新，TCP-splitting越來(lái)越受到重視。

2.2.1 TCP-Splitting方法[4]

TCP-Splitting即雙網(wǎng)關(guān)劃分TCP連接，是在發(fā)送端網(wǎng)關(guān)處截取來(lái)自地面源主機(jī)的TCP數(shù)據(jù)包，并將該數(shù)據(jù)報(bào)文段轉(zhuǎn)換為適合動(dòng)中通鏈路的TCP數(shù)據(jù)包；在接收端，接收端網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)包重新裝換為地面TCP數(shù)據(jù)包，并與目的主機(jī)進(jìn)行通信。TCP-Splitting的處理過(guò)程保持了對(duì)用戶的完全透明地面TCP協(xié)議的擁塞控制機(jī)制不做任何修改，在連接中仍然有效，可以保護(hù)地面網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗娜等編.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2]Jae H. Kim， Marcelo Albuquerque，and Geral.Michael，TCP Fast Recovery from Link Blockage in Satellite Communications On-The-Move，Proceedings ofIEEE，2002，pp：56-65.

[3]M.Allman，D.Glover， and I.Sanchez，Enhancing TCP over Satellite Channel using Standard Mechanism，RFC2488，1999.

[4]（美）史蒂文斯（W.Richard Stevens）著，范建華等譯.TCP/IP詳解，卷1：協(xié)議.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000，4.

作者簡(jiǎn)介：何源（1990.07-），男，陜西人，在讀研究生，主要研究方向：寬帶衛(wèi)星和智能天線技術(shù)。

作者單位：第二炮兵工程大學(xué)，西安 710025