基于NS-3的衛(wèi)星鏈路TCP仿真研究

余 騰，劉志敏

北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871

1 引言

衛(wèi)星通信中，關(guān)于提高衛(wèi)星鏈路物理層的傳輸速率的技術(shù)已經(jīng)取得了較大提高，為使鏈路帶寬得到充分利用，使傳輸信息得到可靠保證，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的傳輸層TCP的協(xié)議成為了研究重點(diǎn)[1]。TCP協(xié)議通過對(duì)應(yīng)的擁塞控制策略來調(diào)整速率，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路環(huán)境下，衛(wèi)星鏈路具有長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼率等特點(diǎn)，應(yīng)用傳統(tǒng)的TCP協(xié)議往往存在慢啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，丟包原因判斷不準(zhǔn)確，不能有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬等問題[2]。針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路的特點(diǎn)，為改善TCP性能，國(guó)內(nèi)外研究人員做了大量的研究工作，主要成果有：（1）鏈路層的差錯(cuò)控制，即在鏈路層通過前向糾錯(cuò)（FEC）或自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）等機(jī)制來進(jìn)行差錯(cuò)控制以減小衛(wèi)星鏈路傳輸錯(cuò)誤對(duì)TCP連接的影響[3]。（2）協(xié)議網(wǎng)關(guān)技術(shù)，主要是采用TCP協(xié)議欺騙技術(shù)與TCP分段技術(shù)[4]。（3）TCP協(xié)議改進(jìn)與加強(qiáng)，指通過對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化相應(yīng)參數(shù)，加入增強(qiáng)機(jī)制等來提高傳輸性能[5]。

上述研究成果對(duì)TCP連接性能都有相應(yīng)的提高，然而相關(guān)研究中，關(guān)于如何進(jìn)行TCP仿真以及如何搭建仿真平臺(tái)方法研究并不多，本文以此為出發(fā)點(diǎn)，旨在提供一種通用靈活的衛(wèi)星鏈路仿真方法，方便相關(guān)研究人員搭建TCP仿真平臺(tái)及進(jìn)行性能的評(píng)估。

在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)學(xué)科的研究中，網(wǎng)絡(luò)仿真的作用非常重要，網(wǎng)絡(luò)的正確性和有效性很大程度上決定于采用的仿真工具。目前在網(wǎng)絡(luò)仿真工具的研發(fā)方面，國(guó)外已呈現(xiàn)出多項(xiàng)研究成果，如 OPNET，QualNet，GloMoSim，NCTUNS，GTNetS，OMNET++，SSFNet，JiST，Yans和NS-2[6]。但這些仿真軟件還存在著眾多不足。主要問題有：（1）軟件內(nèi)核的擴(kuò)展性；（2）現(xiàn)實(shí)化軟件的問題；（3）整合軟件的問題；（4）支持虛擬化和實(shí)驗(yàn)床的問題；（5）靈活的跟蹤和統(tǒng)計(jì)問題；（6）屬性系統(tǒng)；（7）新模式問題[6]。為了解決這些不足，2006年，美國(guó)Washington大學(xué)的Thomas R.Henderson教授的小組研究一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)模擬工具NS-3，目前己經(jīng)發(fā)布了最新穩(wěn)定版本NS-3.19。NS-3是一款優(yōu)秀的離散事件網(wǎng)絡(luò)仿真器，且是一個(gè)完全開源的項(xiàng)目，由于目前NS-3是個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)NS-3進(jìn)行研究的成果和報(bào)告還比較少，但NS-3語(yǔ)言更加統(tǒng)一、代碼開放性好、模塊集成更好的特點(diǎn)，必將促成NS-3成為未來的主流仿真平臺(tái)之一[7]。

當(dāng)前很多研究工作的網(wǎng)絡(luò)仿真都是通過NS-2仿真軟件來實(shí)現(xiàn)。NS-3是一款全新的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，并不是NS-2的升級(jí)版本，而是作為NS-2的替代者。本文將介紹利用NS-3仿真軟件上搭建衛(wèi)星鏈路仿真平臺(tái)，以此建立衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的TCP連接仿真，進(jìn)行各TCP擁塞控制算法的分析，提供了一種基于NS-3的TCP連接的仿真方法。讀者可根據(jù)此方法仿真衛(wèi)星鏈路的TCP連接，并擴(kuò)展到其他場(chǎng)景的TCP連接。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型

衛(wèi)星系統(tǒng)通常由一個(gè)中心站及若干個(gè)遠(yuǎn)端站組成，各遠(yuǎn)端站間通過衛(wèi)星鏈路連接。各站可外接多種用戶終端設(shè)備，可支持包括話音、數(shù)據(jù)、視頻等多種業(yè)務(wù)傳輸。由上章分析知，根據(jù)衛(wèi)星鏈路的特性，想要充分利用鏈路帶寬，需要采用特殊加速的方法。例如在參考文獻(xiàn)[8]中，采用一種PEP技術(shù)來實(shí)現(xiàn)TCP的加速。PEP技術(shù)主要思想為：采取TCP分段技術(shù)來來實(shí)現(xiàn)TCP加速技術(shù)，如圖1所示，即保證提供端到端的可靠性的前提下，將衛(wèi)星通信系統(tǒng)一個(gè)TCP連接分成三段，第一段和第三段為地面段，分別是服務(wù)器與加速網(wǎng)關(guān)間的連接與加速網(wǎng)關(guān)到客戶端的連接；中間段是衛(wèi)星鏈路，連接著兩個(gè)衛(wèi)星加速網(wǎng)關(guān)；因第一段和第三段為地面網(wǎng)絡(luò)，采用了傳統(tǒng)的TCP協(xié)議（如TCP Reno），第二段采用特殊的TCP協(xié)議（如TCP Hybla）[8]。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TCP加速的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本文搭建仿真平臺(tái)后，將通過NS-3仿真軟件仿真此場(chǎng)景，其中在衛(wèi)星鏈路段將仿真各類TCP協(xié)議，進(jìn)行性能分析，以驗(yàn)證TCP Hybla是否是適合于衛(wèi)星鏈路的TCP擁塞控制算法。

不同的TCP協(xié)議有著不同的TCP的擁塞控制算法。以常見的TCP Reno為例，其擁塞控制算法由慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)四個(gè)階段構(gòu)成。根據(jù)不同場(chǎng)景在四個(gè)階段設(shè)置不同的算法可衍生出各種TCP協(xié)議。本文選取11種TCP協(xié)議，分別為Reno，Hybla，Vegas，Cubic，Westwood，Veno，Highspeed，Scalable，Illinois，Htcp，YeAH。關(guān)于各TCP擁塞控制算法的詳細(xì)算法，有相關(guān)文章可供讀者參考，由于文章篇幅限制，本文不再詳述。僅簡(jiǎn)要介紹TCP Hybla算法。

Hybla的思想是將傳輸速率獨(dú)立于時(shí)延差異，通過擁塞控制補(bǔ)償參數(shù)來補(bǔ)償長(zhǎng)時(shí)延對(duì)鏈路傳輸速率的下降。Hybla先定義了旨在模擬的參考連接的往返時(shí)延RTT0。

ρ=RTT/RTT0

慢啟動(dòng)和擁塞避免算法公式如下式所示[9]：

慢啟動(dòng)：W′i+1=Wi'+2ρ-1

擁塞避免：W′i+1=Wi'+ρ2/Wi'

其中W為擁塞窗口。當(dāng)ρ接近于1時(shí)，說明鏈路實(shí)際傳播時(shí)延RTT與RTT0接近，網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性最低，不需要補(bǔ)償傳輸速率。RTT離RTT0偏差隨ρ的增大而增大，即通過擁塞窗口快速增長(zhǎng)使傳輸速率迅速得到補(bǔ)償，但此時(shí)吞吐量雖迅速提高，也將導(dǎo)致鏈路中有突發(fā)的大通信量，實(shí)際運(yùn)用中往往根據(jù)鏈路的實(shí)際信息預(yù)先調(diào)整RTT0。

3 NS-3仿真平臺(tái)

3.1 仿真環(huán)境的建立

為搭建圖1中的仿真環(huán)境，本文通過在VMware Workstation虛擬機(jī)上安裝Linux操作系統(tǒng) fedora14，內(nèi)核版本為2.6.32.59，在fedora下安裝 NS-3.19，作為仿真工具。利用NS-3構(gòu)建如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡姝h(huán)境。

圖2 仿真環(huán)境示意圖

由第2章分析可知，整個(gè)連接分為1段衛(wèi)星連接及2段以太網(wǎng)連接。根據(jù)以太網(wǎng)的鏈路特性，其中兩段以太網(wǎng)的鏈路相關(guān)參數(shù)設(shè)置為帶寬BW=10 Mb/s，延時(shí)delay=1 ns。中間兩個(gè)路由模擬衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)站點(diǎn)，服務(wù)器和客戶端模擬網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)終端設(shè)備。模擬通過服務(wù)器向客戶端持續(xù)傳輸TCP報(bào)文的場(chǎng)景，其中包大小、傳輸速率及衛(wèi)星鏈路的相關(guān)參數(shù)將根據(jù)不同需求設(shè)定，在客戶端接收端口統(tǒng)計(jì)吞吐量，每個(gè)TCP連接持續(xù)10分鐘，統(tǒng)計(jì)10分鐘TCP連接的吞吐量。

3.2 使用linux內(nèi)核中的TCP協(xié)議

NS-3目前只提供TCP Tahoe、TCP Reno、TCP Newreno和TCP Westwood四種TCP擁塞控制算法，并不能滿足仿真要求?？紤]到NS-3是基于C++語(yǔ)言編寫的開源軟件，而linux內(nèi)核中有各種TCP擁塞控制算法的源碼，所以本文一項(xiàng)重要研究工作是實(shí)現(xiàn)在NS-3中使用linux內(nèi)核源碼中的TCP擁塞控制算法。

要使NS-3使用linux內(nèi)核源碼，首先得安裝NSC，NSC（Network Simulation Cradle）是一個(gè)用于包裝實(shí)際網(wǎng)絡(luò)代碼模擬器。下面主要介紹如何安裝NSC，將NS-3與NSC相結(jié)合，以及解決此過程中存在的bug的方法。

按照ns-3-tutorial（NS-3官網(wǎng)教程）的安裝方法，執(zhí)行完命令$./bake.py build，安裝好ns-3后，需手動(dòng)安裝NSC，安裝步驟如下：

ns-3自從3.16版本后需要手動(dòng)下載nsc了，執(zhí)行

下載nsc源碼。下載后執(zhí)行$./waf configure可得到如下結(jié)果：

NetworkSimulationCradle：not enabled（NSC library liblinux2.6.26.so is missing：NSC has not been built?）

解決此問題的方法是執(zhí)行$python scons.py linux-2.6.26

執(zhí)行成功后，如果NSC還沒有安裝上就需要手動(dòng)添加NSC的路徑了，執(zhí)行命令為：

可看到顯示：

Network Simulation Cradle：enabled

再次運(yùn)行$./test.py-c core，測(cè)試模塊，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤：

CRASH：TestSuite ns3-tcp-interoperability

CRASH：TestSuite ns3-tcp-cwnd

CRASH：TestSuite ns3-tcp-loss

這是NS-3目前存在的bug，即安裝過程無法自動(dòng)檢測(cè)NSC三個(gè)模塊crash的問題。原因是NSC liblinux libraries需要一個(gè)可執(zhí)行的堆棧。因本文使用的是linux-2.6.26內(nèi)核源碼，執(zhí)行如下命令：

結(jié)果為PASS TestSuite ns3-tcp-interoperability

表示NSC已安裝成功，此時(shí)就可利用NSC中l(wèi)inux kernel中的相關(guān)模塊了。本文目的是調(diào)用linux內(nèi)核中的TCP擁塞控制算法，通過調(diào)研相關(guān)TCP協(xié)議及分析內(nèi)核的源碼，本文挑選出了11種TCP擁塞算法作為仿真對(duì)象。

3.3 仿真主要流程

本節(jié)主要介紹仿真主要流程及部分關(guān)鍵代碼。

（1）節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)代表著網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)點(diǎn)，可以是一臺(tái)主機(jī)、服務(wù)器或路由器。本文仿真環(huán)境需要定義四個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（2）配置物理層和信道

使用Helper設(shè)置鏈路屬性，如本文設(shè)置以太網(wǎng)信道速率為10 Mb/s，時(shí)延為1 ns。同樣方法設(shè)置衛(wèi)星鏈路參數(shù)。

（3）安裝網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

待node、device和channel創(chuàng)建完成后，將用Internet-Stack拓?fù)鋪硖砑訔！Ｔ诖颂幵O(shè)置TCP擁塞控制算法。

（4）Ipv4 地址分配

使用Ipv4AddressHelper給各端口分配Ipv4地址，以dev1（服務(wù)器端）為例。

（5）設(shè)置衛(wèi)星鏈路丟包率

Ptrem1=CreateObjectWithAttributes（"ErrorRate"，DoubleValue（0.05），"ErrorUnit"，Enum-Value（RateErrorModel：：ERROR_UNIT_PACKET））；//設(shè)置丟包率為5%

（6）應(yīng)用程序（創(chuàng)建TCP發(fā)送和接收）

①TCP發(fā)送

②TCP接收

（7）計(jì)算吞吐量

（8）Simulator模擬

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真結(jié)果的正確性確定

由于本文為仿真環(huán)境，應(yīng)驗(yàn)證仿真環(huán)境的有效性和仿真結(jié)果的正確性，參考文獻(xiàn)[10]和[11]有類似的仿真環(huán)境，如參考文獻(xiàn)[10]仿真了瓶頸鏈路BW=20 Kb/s，丟包率為5%和8%的兩組數(shù)據(jù)，比較了Cubic、Veno、Hybla和Reno四種擁塞控制算法。本文仿真此場(chǎng)景，得到的仿真結(jié)果為 Cubic（15.712 Kb/s）>Veno（14.231 Kb/s）>Hybla（13.629Kb/s）>Reno（11.794Kb/s）和 Cubic（13.287Kb/s）>Veno（11.822 Kb/s）>Hybla（9.785 Kb/s）>Reno（9.199 Kb/s），與參考文獻(xiàn)[10]仿真結(jié)果相符；文獻(xiàn)[11]中，一場(chǎng)景鏈路帶寬為BW=1 Mb/s，RTT=0.25 s，采用TCP Cubic傳送文件大小為500 KB的時(shí)間為9 s，本平臺(tái)搭建相同環(huán)境，仿真結(jié)果與之相同。綜上，認(rèn)為仿真本平臺(tái)所得仿真結(jié)果是正確可靠的。

4.2 吞吐量隨丟包率變化仿真結(jié)果

保留時(shí)延中如傳播時(shí)延、消息處理時(shí)延等固定成分，將時(shí)延固定在270 ms。分配衛(wèi)星鏈路帶寬BW=2 Mb/s，觀察丟包率從0.01%增加到10%的過程中，各TCP擁塞控制算法的吞吐量隨丟包率變化的示意圖。

由圖3可知，在分配鏈路帶寬BW=2 Mb/s，衛(wèi)星鏈路時(shí)延為270 ms的典型衛(wèi)星鏈路情形下，各TCP改進(jìn)擁塞算法相對(duì)傳統(tǒng)TCP Reno算法，吞吐量都有提高。其中TCP Hybla協(xié)議能顯著提高吞吐量大小，其吞吐量遠(yuǎn)大于其他TCP擁塞控制算法。

圖3 固定帶寬和時(shí)延，吞吐量隨丟包率變化

4.3 吞吐量隨時(shí)延變化仿真結(jié)果

分配衛(wèi)星鏈路帶寬BW=2 Mb/s。通常衛(wèi)星鏈路誤碼率為10-6[12]，為了同時(shí)比較取誤碼率增大時(shí)吞吐量的變化，分別設(shè)置誤碼率為10-6和10-5，由丟包率公式PLR=1-(1-Pb)L知，衛(wèi)星鏈路的丟包率為PLR=0.05%和0.5%（設(shè)置TCP報(bào)文包長(zhǎng)度L=520 B）。設(shè)置衛(wèi)星鏈路丟包率為0.05%和0.5%，觀察各TCP擁塞控制算法的吞吐量隨時(shí)延變化的示意圖。

由圖4和圖5可知，在低丟包率情形下，如丟包率為0.05%時(shí)，在時(shí)延300 ms內(nèi)，TCP Illinois的吞吐量最大，時(shí)延大于300 ms時(shí)Htcp吞吐量最大；其次是Hybla和Cubic。但TCP Hybla算法受時(shí)延影響敏感，如在時(shí)延小于350 ms和大于450 ms時(shí)，吞吐量與Cubic，Illinois不相上下，但當(dāng)時(shí)延為400 ms時(shí)，吞吐量顯著下降，說明發(fā)送窗口對(duì)時(shí)延的過度補(bǔ)償導(dǎo)致了較頻繁的網(wǎng)絡(luò)擁塞[10]。當(dāng)丟包率數(shù)值提高時(shí)，TCP Hybla算法優(yōu)勢(shì)開始體現(xiàn)，如當(dāng)丟包率為0.5%時(shí)，TCP Hybla算法吞吐量顯著大于其他TCP擁塞算法，雖然在時(shí)延為400 ms時(shí)吞吐量有下降，但仍優(yōu)于其他算法。

圖4 帶寬2 Mb/s，丟包率0.05%，吞吐量隨時(shí)延變化

圖5 帶寬2 Mb/s，丟包率0.5%，吞吐量隨時(shí)延變化

4.4 吞吐量隨帶寬變化的仿真結(jié)果

設(shè)置時(shí)延為270 ms，分別設(shè)置鏈路丟包率為0.05%和0.5%，從分配衛(wèi)星鏈路帶寬BW=120 Kb/s增加到BW=6 Mb/s，觀察各TCP擁塞控制算法的吞吐量隨帶寬變化的情況。

由圖6和圖7可知：

（1）在低丟包率情形下，如丟包率為0.05%時(shí)，在分配帶寬小于3 Mb/s時(shí)，TCP Hybla和Illinois吞吐量最大，其次是Htcp，但當(dāng)帶寬繼續(xù)增大時(shí)，如帶寬大于3 Mb/s時(shí)，其余算法的吞吐量隨帶寬增加而增大的趨勢(shì)已不明顯。而Hybla的吞吐量則繼續(xù)增大。除Hybla外，TCP擁塞控制算法的吞吐量最后都會(huì)趨于穩(wěn)定，不再隨帶寬的增大而增大，此時(shí)影響吞吐量的因素為丟包率，不是帶寬。

圖6 時(shí)延270 ms，丟包率0.05%，吞吐量隨帶寬變化

圖7 時(shí)延270 ms，丟包率0.5%，吞吐量隨帶寬變化

（2）在丟包率更大時(shí)，如丟包率為0.5%，TCP擁塞控制算法的吞吐量會(huì)更快趨于穩(wěn)定，且TCP Hybla算法吞吐量顯著大于其他TCP擁塞控制算法，并且在帶寬1 Mb/s時(shí)，除TCP Hybla外，其他TCP擁塞控制算法吞吐量已經(jīng)不再隨帶寬增加而增大。

4.5 仿真結(jié)論

綜上可知，在衛(wèi)星鏈路中，根據(jù)衛(wèi)星鏈路特性選擇取適合于該特性的TCP協(xié)議比采用傳統(tǒng)TCP協(xié)議具有更高的傳輸效率。具有時(shí)延獨(dú)立性的TCP Hybla算法是目前最適合衛(wèi)星鏈路的TCP算法，而且在誤碼率增加和隨帶寬時(shí)延積的增加的情況下，性能優(yōu)勢(shì)更顯著，但TCP Hybla基于“時(shí)延補(bǔ)償”的優(yōu)化思想，受參數(shù)RTT0的影響。在進(jìn)一步的研究中，可通過調(diào)整RTT0值使Hybla對(duì)衛(wèi)星信道具有更佳優(yōu)化能力。仿真的結(jié)果證明文獻(xiàn)[8]提出的對(duì)衛(wèi)星部署TCP連接是有效的，同樣也驗(yàn)證了本文所提供的仿真方法及搭建的仿真平臺(tái)是正確有效的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以衛(wèi)星通信系統(tǒng)TCP加速相關(guān)工作的研究為基礎(chǔ)，通過在NS-3仿真軟件上搭建衛(wèi)星鏈路仿真場(chǎng)景，進(jìn)行衛(wèi)星鏈路的TCP擁塞控制算法仿真。同時(shí)本文實(shí)現(xiàn)將NS-3與linux內(nèi)核模塊結(jié)合，介紹其實(shí)現(xiàn)方法，并針對(duì)此過程中出現(xiàn)的BUG，給出了解決方法。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]中提出的TCP加速場(chǎng)景，仿真了linux內(nèi)核中的11種TCP擁塞控制算法。仿真結(jié)果證明了本仿真平臺(tái)的靈活性、有效性和正確性。本文的研究成果是提供了一種靈活、可靠的基于NS-3的TCP仿真方法，方便研究人員進(jìn)行相關(guān)科研工作。

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