衛(wèi)星鏈路上比較三種典型版本TCP的性能

王穎為

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，人類面臨的入網(wǎng)環(huán)境越來越復(fù)雜，衛(wèi)星接入上網(wǎng)的方案在很多情況下是個(gè)很好的選擇。但是衛(wèi)星鏈路本身與傳統(tǒng)鏈路有所不同，有自己獨(dú)特的特性，這樣就需要改進(jìn)TCP方案，使其適應(yīng)衛(wèi)星鏈路的環(huán)境，從而提高TCP的性能。本文初步探討了NewReno、TCP Cubic、Hybla三種典型TCP版本在衛(wèi)星鏈路上的性能表現(xiàn)，希望能夠找出一種令TCP性能在衛(wèi)星鏈路上表現(xiàn)得更加出色的方案。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星鏈路；TCP性能；擁塞算法

1 研究背景

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，越來越多的人們加入網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，依賴網(wǎng)絡(luò)，期待著隨時(shí)隨地享受網(wǎng)絡(luò)的便捷服務(wù)。然而，受到自然環(huán)境等因素的影響，一些地域缺乏或難以架設(shè)地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。另外，人們還想更加自由地接入網(wǎng)絡(luò)，不受線路的牽絆。因此，衛(wèi)星接入上網(wǎng)是一個(gè)不錯(cuò)的方案，地球同步衛(wèi)星鏈路會(huì)為移動(dòng)用戶提供一個(gè)方便快捷的接入網(wǎng)絡(luò)。

但是，由于接入技術(shù)的改變，硬件、軟件、現(xiàn)實(shí)條件都發(fā)生了變化，過去常見的舊的TCP版本不能適應(yīng)新應(yīng)用的要求，顯示出較差的性能?？偨Y(jié)其中原因，有如下幾點(diǎn)：

1.1 衛(wèi)星鏈路特性對(duì)TCP性能的影響

1.1.1 傳輸距離長(zhǎng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的傳輸延遲

地球同步衛(wèi)星的高度大約有36，000公里，信息在衛(wèi)星與地面接收站之間傳輸大約要250毫秒。

1.1.2 誤碼率高

相對(duì)于地面鏈路，衛(wèi)星鏈路的誤碼率較高，從而使數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤率增高。

1.1.3 數(shù)據(jù)傳輸速率低

在衛(wèi)星鏈路上，只有最大10Mbps的上傳速率。

1.2 TCP機(jī)制和算法對(duì)TCP性能的影響

1.2.1 三次握手

首先，一個(gè)TCP連接是通過接收端和發(fā)送端之間的“三次握手”建立的。

第一次握手：建立連接時(shí)，客戶端發(fā)送syn包（syn=x）到服務(wù)器，并進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn)（SYN：同步序列編號(hào)）。

第二次握手：服務(wù)器收到syn包，必須確認(rèn)客戶的SYN（ack=x+1），同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)。

第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK（ack=y+1），此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手。

在衛(wèi)星鏈路上，即使是很短的數(shù)據(jù)交換，都需要至少幾秒鐘才能完成，降低了TCP的性能。

1.2.2 接收窗口rwnd的值

使用TCP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，前一個(gè)目的端發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，會(huì)明確地規(guī)定好應(yīng)用程序被允許的發(fā)送字節(jié)量，被稱為“接收窗口”。這個(gè)值，通常被設(shè)置為8KB或16KB，這嚴(yán)重限制了TCP連接通過衛(wèi)星可以達(dá)到的速度。

1.2.3 默認(rèn)慢啟動(dòng)算法

TCP會(huì)以一個(gè)非常緩慢的速度開始發(fā)送，并緩慢增加，直到達(dá)到可用容量。這一過程需要幾個(gè)RTT，而衛(wèi)星鏈路本身有嚴(yán)重的傳播延遲，因此，會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到可用容量。當(dāng)發(fā)生擁塞或其他原因的數(shù)據(jù)包丟失時(shí)，TCP的擁塞窗口值cwnd迅速減小，這個(gè)慢啟動(dòng)的過程又會(huì)重新開始。

1.2.4 包丟失導(dǎo)致乘法減小

TCP假定任何丟包都是由擁塞造成的。每當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包丟失，TCP就減小擁塞窗口，從而減小傳輸速率。例如，每當(dāng)檢測(cè)到丟包事件，TCP NewReno將其傳輸速率降低為原來的50%。但是，衛(wèi)星鏈路本身的誤碼率就很高，封包錯(cuò)誤率就是在不發(fā)生擁塞的情況下觀察到的。此外，衛(wèi)星和地面鏈路容量之間的差異也會(huì)導(dǎo)致TCP性能較差，大量的包丟失可能會(huì)由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生。

2 研究方案

從前面的研究來看，我們發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星鏈路有著自己的特性，但TCP方案沒有很好地適應(yīng)這些特性。有時(shí)候網(wǎng)絡(luò)并未發(fā)生擁塞，只是本身的傳輸時(shí)間長(zhǎng)或者有丟包等事件發(fā)生，卻被誤認(rèn)為是擁塞，導(dǎo)致發(fā)送端的擁塞窗口值cwnd驟減，信道沒有被充分利用，從而影響了TCP的性能。因而，想辦法避免擁塞，及其導(dǎo)致的cwnd值驟減。下面是一些TCP的新版本，用來解決這些問題。

2.1 NewReno

這一版本采用快速重傳技術(shù)和快速恢復(fù)技術(shù)。

超時(shí)重傳是TCP協(xié)議保證數(shù)據(jù)可靠性的一個(gè)重要機(jī)制，其原理是在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)以后就開啟一個(gè)計(jì)時(shí)器，在一定時(shí)間內(nèi)如果沒有得到發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的ACK報(bào)文，那么就重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送成功為止。這是數(shù)據(jù)丟包的情況下給出的一種修補(bǔ)機(jī)制。一般來說，重傳發(fā)生在超時(shí)之后，但是如果發(fā)送端接收到3個(gè)以上的重復(fù)ACK，就應(yīng)該意識(shí)到，數(shù)據(jù)丟了，需要重新傳遞。這個(gè)機(jī)制不需要等到重傳定時(shí)器溢出，所以叫做快速重傳，而快速重傳以后，因?yàn)樽叩牟皇锹龁?dòng)而是擁塞避免算法，所以這又叫做快速恢復(fù)算法。

快速重傳和快速恢復(fù)旨在快速恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包。沒有快速重傳和快速恢復(fù)，TCP將會(huì)使用定時(shí)器來要求傳輸暫停。在暫停這段時(shí)間內(nèi)，沒有新的數(shù)據(jù)包被發(fā)送。

2.2 TCP Cubic

目前，Cubic是Linux中TCP協(xié)議的默認(rèn)擁塞控制算法。它是TCP BIC的優(yōu)化版本。TCP BIC的主要思想是確保對(duì)于往返時(shí)間RTT不同的各個(gè)流，能夠公平地分享衛(wèi)星鏈路上提供的容量。Cubic在設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)化了BIC-TCP的窗口調(diào)整算法，在BIC-TCP的窗口調(diào)整中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)有凹有凸的增長(zhǎng)曲線（這里的凹和凸指的是數(shù)學(xué)意義上的凹和凸，即凹函數(shù)和凸函數(shù)），Cubic使用了一個(gè)三次函數(shù)（即一個(gè)立方函數(shù)），在三次函數(shù)曲線中同樣存在一個(gè)凹和凸的部分，該曲線形狀和BIC-TCP的曲線圖十分相似，于是該部分取代BIC-TCP的增長(zhǎng)曲線。

在Cubic的三次函數(shù)中由凹和凸兩部分控制窗口的增長(zhǎng)。第一部分是個(gè)凹函數(shù)，在這一階段窗口快速增長(zhǎng)到上一次擁塞事件發(fā)生之前的大??；第二部分是個(gè)凸函數(shù)，在這一階段Cubic尋求更大的帶寬，先慢后快。Cubic的大量時(shí)間都處在凹凸函數(shù)增長(zhǎng)區(qū)之間的一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)上，這使得網(wǎng)絡(luò)在開始尋求更大帶寬之前，能夠保持穩(wěn)定。

另外，Cubic與標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議最主要的區(qū)別，在于它的窗口增長(zhǎng)函數(shù)僅僅取決于連續(xù)的兩次擁塞事件的時(shí)間間隔值，從而窗口增長(zhǎng)完全獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延RTT，Cubic的RTT獨(dú)立性質(zhì)使得Cubic能夠在多條共享瓶頸鏈路的TCP連接之間保持良好的RTT公平性。

2.3 Hybla

可選擇使用PEPSal方案（在發(fā)送端修改過的端到端協(xié)議，使用TCP分離概念的衛(wèi)星中繼傳輸協(xié)議）。把由衛(wèi)星鏈路引發(fā)的長(zhǎng)的RTT的影響降到最低；它加快了cwnd的增長(zhǎng)速度，為不同RTT的連接提供相同傳輸速率。

TCP Hybla掃描窗口增量規(guī)則以確保RTT不同的流之間的公平性。當(dāng)某個(gè)流的RTT的值比既定的參考RTT的值小時(shí)，Hybla的表現(xiàn)與NewReno一樣，否則，Hybla增加擁塞窗口的值，更加積極地補(bǔ)償由于RTT增加帶來的吞吐量下降。

Hybla主要解決不同RTT的公平性問題。它采用基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)姆椒ā?duì)于大時(shí)延網(wǎng)絡(luò)來說，采用這種算法可以提高傳輸效率。

3 研究結(jié)論

上面圍繞著防止發(fā)送端的擁塞窗口值cwnd驟減，充分利用信道的思路，研究了NewReno、TCP Cubic、Hybla三種典型TCP版本，我們發(fā)現(xiàn)它們有著各自的優(yōu)勢(shì)，和與之相適應(yīng)的環(huán)境。

相對(duì)來說NewReno在算法上更易實(shí)現(xiàn)，它改進(jìn)了Reno算法，考慮了一個(gè)發(fā)送窗口內(nèi)多個(gè)報(bào)文丟失的情況。Cubic主要針對(duì)可能發(fā)生高延遲的高速網(wǎng)絡(luò)，它的大量時(shí)間處在凹凸函數(shù)上一段較穩(wěn)定的狀態(tài)上，使網(wǎng)絡(luò)在尋求更大帶寬前能維持穩(wěn)定；另外，Cubic的窗口增長(zhǎng)完全獨(dú)立于RTT，令RTT不同的流能公平地分享衛(wèi)星鏈路上提供的容量。Hybla主要應(yīng)對(duì)于含地面或衛(wèi)星鏈路的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，把由衛(wèi)星鏈路引發(fā)的較長(zhǎng)RTT的影響降到最低，為不同RTT的連接提供相同傳輸速率，確保RTT不同的流之間的公平性。

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