天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系與傳輸性能簡(jiǎn)析

楊冠男+李文峰+張興敢

摘要：對(duì)于中國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)（ISTIN）的構(gòu)建，針對(duì)可能采用的兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，即傳輸控制協(xié)議（TCP）/IP和容遲容斷網(wǎng)絡(luò)（DTN），以3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星組成天基骨干網(wǎng)絡(luò)為例，分析了3種基本傳輸場(chǎng)景下的主要挑戰(zhàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)半實(shí)物仿真開(kāi)展了協(xié)議傳輸性能的測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：盡管DTN協(xié)議與TCP-Hybla改進(jìn)協(xié)議能夠獲得較好的傳輸性能，由于時(shí)延與誤碼率（BER）等參數(shù)存在較大的動(dòng)態(tài)范圍，沒(méi)有一種協(xié)議能夠在所有傳輸場(chǎng)景下保持傳輸性能始終最優(yōu)。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的性能仍有待進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞：ISTIN；協(xié)議；傳輸性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2016） 04-0039-007

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是中國(guó)國(guó)防信息化和信息化社會(huì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的“天”是指由衛(wèi)星等航天器作為主要節(jié)點(diǎn)組成的天基網(wǎng)絡(luò)，而“地”主要指由地面站網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星應(yīng)用專(zhuān)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及各類(lèi)地面用戶(hù)等共同組成的地球表面網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與協(xié)議體系層面的設(shè)計(jì)，屏蔽天、地各類(lèi)系統(tǒng)在技術(shù)體制層面的差異，為用戶(hù)提供跨系統(tǒng)的、無(wú)需區(qū)分天地的各種服務(wù)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一體化信息獲取、共享與利用是未來(lái)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要目標(biāo)[1]。

根據(jù)是否采用星間鏈路，我們可以將天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)分為：

（1）天星地網(wǎng)。典型系統(tǒng)如國(guó)際海事衛(wèi)星（Inmarsat）的寬帶全球網(wǎng)絡(luò)（BGAN）系統(tǒng)，由3顆Inmarsat IV衛(wèi)星與地面站網(wǎng)絡(luò)組成，民用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用星狀拓?fù)?，?jīng)過(guò)衛(wèi)星中繼落地后通過(guò)地面站實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)交換，互聯(lián)網(wǎng)接入或通過(guò)地面站網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)的數(shù)據(jù)交換。BGAN從2012年開(kāi)始提供航空寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)（SB-Sat），通過(guò)原航空寬帶網(wǎng)絡(luò)面向低軌道（LEO）衛(wèi)星提供近實(shí)時(shí)的IP業(yè)務(wù)，速率最高可達(dá)475 kbit/s[2]，由此實(shí)現(xiàn)了以地面網(wǎng)絡(luò)為骨干的天空地一體化的網(wǎng)絡(luò)。

（2）天基網(wǎng)絡(luò)。典型系統(tǒng)如銥星通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的交換完全通過(guò)星間鏈路完成。

（3）天網(wǎng)地網(wǎng)。它是前兩種形式的整合，典型系統(tǒng)如美國(guó)軍方規(guī)劃的全球信息柵格（GIG）擬構(gòu)建的通信基礎(chǔ)設(shè)施，原計(jì)劃天基部分轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)（TSAT）通過(guò)TSAT衛(wèi)星間的星間鏈路實(shí)現(xiàn)空間寬帶網(wǎng)絡(luò)，并與GIG的地面網(wǎng)絡(luò)，以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一體化。

由于政治、經(jīng)濟(jì)等原因，中國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)面臨的主要制約因素之一在于地面站設(shè)站受限，地面站基本位于中國(guó)境內(nèi)。與其他一些國(guó)家類(lèi)似系統(tǒng)相比，難以實(shí)現(xiàn)全球分布的地面站網(wǎng)絡(luò)。因此，為保障信息的及時(shí)獲取與分發(fā)，必須重點(diǎn)發(fā)展天基網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并依托天基網(wǎng)絡(luò)，與可利用的地面網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建中國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。

1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

由于包含天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)組成部分，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)復(fù)雜異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]，涉及各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)一體化的發(fā)展目標(biāo)必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的統(tǒng)一來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

1.1 地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

從19世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展開(kāi)始，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，地面互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)形成了以傳輸控制協(xié)議（TCP）/IP協(xié)議體系為主的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。TCP/IP協(xié)議體系發(fā)源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是一種以主機(jī)為中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，IP地址直接對(duì)應(yīng)到主機(jī)，主機(jī)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)可靠傳輸采用“端到端原則”。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的興起使得IP地址動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題日益顯著，通過(guò)移動(dòng)IP技術(shù)可以保證節(jié)點(diǎn)漫游過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)連接。從2000年左右，主要針對(duì)當(dāng)前以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信為基礎(chǔ)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的關(guān)鍵先天缺陷，主要包括可擴(kuò)展性問(wèn)題、動(dòng)態(tài)性問(wèn)題和安全可控性問(wèn)題[5]等，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的研究試圖從根本上解決這些制約網(wǎng)絡(luò)未來(lái)發(fā)展的問(wèn)題。在這些研究工作中，研究人員已經(jīng)提出了信息中心網(wǎng)絡(luò)（ICN）[6]等多種區(qū)別于傳統(tǒng)TCP/IP的新型協(xié)議體系。

1.2 天基網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

1.2.1 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

在還沒(méi)有光纖的年代，最早的跨洋網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路是通過(guò)衛(wèi)星中繼實(shí)現(xiàn)的。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)起源于衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議多采用數(shù)字視頻廣播（DVB）系列協(xié)議。隨著第4代（4G）、第5代（5G）移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信也已成為4G、5G標(biāo)準(zhǔn)中的重要組成部分。由于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以地面為主，作為地面互聯(lián)網(wǎng)在空間的延伸，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)主要采用TCP/IP協(xié)議體系[7]。然而，起源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)TCP協(xié)議在面臨具有較大帶寬、較長(zhǎng)時(shí)延、較高誤碼率的衛(wèi)星信道時(shí)，其傳輸效率大打折扣。解決這一問(wèn)題的辦法并不復(fù)雜，主要采用TCP性能增強(qiáng)代理（PEP）的方式[8]，將空間段與地面段分割開(kāi)來(lái)，空間段使用優(yōu)化后的TCP協(xié)議，可以大大提高傳輸性能。然而，由于關(guān)口站采用PEP方式打破了端到端傳輸原則，因此無(wú)法應(yīng)用原有網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，可能給衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)[9]。隨著未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的研究，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的地位與作用也正受到日益關(guān)注。

1.2.2 航天測(cè)控通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

航天測(cè)控通信相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要由國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)（CCSDS）制定，由于航天任務(wù)自身的特殊業(yè)務(wù)需求，CCSDS有針對(duì)性地制定了大量物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為不同國(guó)家航天任務(wù)之間開(kāi)展協(xié)作與資源共享提供了統(tǒng)一的通信接口。CCSDS還曾經(jīng)根據(jù)空間特性制定了空間通信協(xié)議規(guī)范（SCPS），包含重新定義的其文件協(xié)議（SCPS-FP）、傳輸協(xié)議（SCPS-TP）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（SCPS-NP）和安全協(xié)議（SCPS-SP）等完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，用以實(shí)現(xiàn)空間信息系統(tǒng)的組網(wǎng)，如圖2所示。但是，由于開(kāi)發(fā)維護(hù)成本高昂等問(wèn)題，目前SCPS協(xié)議族中除了支持PEP方式的SCPS-TP協(xié)議仍然在一些商用設(shè)備中使用而得到繼續(xù)維護(hù)外，其他協(xié)議在CCSDS已全部停止維護(hù)更新了，并建議采用容遲容斷網(wǎng)絡(luò)（DTN）協(xié)議體系[10]或IP over CCSDS方式統(tǒng)一到TCP/IP協(xié)議體系。

DTN協(xié)議起源于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）星際互聯(lián)網(wǎng)的研究，主要克服星際通信中可能出現(xiàn)的長(zhǎng)時(shí)間中斷、延遲、惡劣的信道質(zhì)量等挑戰(zhàn)[11]，其協(xié)議體系如圖3所示。與傳統(tǒng)TCP/IP5層結(jié)構(gòu)相比，DTN協(xié)議體系在應(yīng)用層和傳輸層之間引入了一個(gè)束協(xié)議層（BP），并通過(guò)其中的匯聚層（CLA）實(shí)現(xiàn)不同傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換。BP可以通過(guò)使用持久存儲(chǔ)+轉(zhuǎn)發(fā)的方式來(lái)克服網(wǎng)絡(luò)的間歇性連接問(wèn)題。DTN中定義的另外一個(gè)重要的新協(xié)議是Licklider傳輸協(xié)議（LTP）[12]。LTP既可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似TCP的可靠傳輸，又可以設(shè)置成類(lèi)似用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）的不可靠傳輸。LTP可以不需要網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議而直接工作在數(shù)據(jù)鏈路層之上，可以應(yīng)對(duì)具有較大帶寬延遲積的通信環(huán)境，使數(shù)據(jù)在長(zhǎng)延遲、可變長(zhǎng)中斷的通信環(huán)境中無(wú)丟失的傳輸，不需要依靠穩(wěn)定的通信往返延遲。由此可見(jiàn)，DTN與TCP/IP相比是兩種完全不同的協(xié)議體系。需要特別指出的是：DTN由于采用覆蓋網(wǎng)絡(luò)的形式，通過(guò)CLA兼容各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且提供了一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議演進(jìn)的可能。目前，DTN中的兩個(gè)最主要的協(xié)議BP和LTP協(xié)議已經(jīng)在CCSDS完成了空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，并已在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）開(kāi)展作為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作。在實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)際空間站上的實(shí)驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)正全面采用DTN協(xié)議。

1.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的天地一體化

從上面的分析可以看出：天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)涉及的各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)體系龐雜，盡管地面互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和完善已經(jīng)形成了以TCP/IP為主的協(xié)議體系，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、應(yīng)用的不斷突破，這一相對(duì)成熟的體系也面臨著新的挑戰(zhàn)，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的研究中正在不斷探索各類(lèi)新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系。相比而言，受到傳輸環(huán)境、星上載荷能力、網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)等多種因素的制約，天基網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究與應(yīng)用面臨不同的挑戰(zhàn)，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于地面網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。目前較為成熟的協(xié)議體系仍然以TCP/IP為主，在NASA的推動(dòng)下DTN協(xié)議也正在快速發(fā)展并逐步投入實(shí)用。兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系特性的比較如表1所示。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，TCP/IP協(xié)議體系起源于地面計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)TCP/IP實(shí)現(xiàn)天地一體化的發(fā)展思路是地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系向上延伸，而DTN協(xié)議體系起源于深空通信，應(yīng)用于天地一體化是星際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系向下拓展，兩者都要考慮天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的特殊性。

2 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)條件下的傳輸場(chǎng)景與協(xié)議性能

在分析了目前較為成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系后，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了TCP/IP、DTN兩種協(xié)議體系在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳輸性能。傳輸性能的改善是傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研究中研究最為深入的領(lǐng)域，然而由于中國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)星地架構(gòu)的特殊性，過(guò)往文獻(xiàn)對(duì)傳輸性能的分析可能并不與之符合，相關(guān)性能測(cè)試的結(jié)果和分析將對(duì)未來(lái)實(shí)際系統(tǒng)的建設(shè)提供重要的參考。

2.1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)傳輸場(chǎng)景

中國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)必須以天基網(wǎng)絡(luò)為主體，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能與天基網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)緊密相關(guān)。目前中國(guó)已經(jīng)提出了多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[13-15]方案，包括地球靜止軌道（GEO）覆蓋方案、LEO覆蓋方案及其他多層覆蓋方案等。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案與工程建設(shè)周期、成本、技術(shù)難度等多種因素有關(guān)，我們不做深入探討。在這篇文章中，我們采用了最簡(jiǎn)單的3顆GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)全球覆蓋的天基骨干網(wǎng)絡(luò)方案作為試驗(yàn)場(chǎng)景。

考慮空間信息傳輸?shù)倪^(guò)程，事實(shí)上經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，我們可以得到如圖4所示的3種基本傳輸場(chǎng)景：圖4中（a）表示的是LEO或中高軌道（MEO）過(guò)頂時(shí)，數(shù)據(jù)直接通過(guò)星地鏈路發(fā)送的場(chǎng)景；圖4（b）表示的是LEO或MEO衛(wèi)星離開(kāi)地面站通信窗口后，通過(guò)骨干網(wǎng)絡(luò)GEO A衛(wèi)星一跳傳輸?shù)膱?chǎng)景；圖4（c）表示超出GEO A衛(wèi)星覆蓋范圍后，通過(guò)GEO A和GEO C兩跳傳輸?shù)膱?chǎng)景。

傳輸場(chǎng)景的變化主要帶來(lái)兩方面鏈路特性的變化：傳輸時(shí)延的顯著變化，誤碼率的顯著變化。顯然，由于通信距離最短，沒(méi)有中繼，在相同的衛(wèi)星地面通信設(shè)備參數(shù)條件下，場(chǎng)景1信道質(zhì)量最好，誤碼率最小，傳輸時(shí)延最短；與之相反，由于傳輸距離最長(zhǎng)，且經(jīng)過(guò)兩次中繼，如果GEO衛(wèi)星沒(méi)有星上處理，僅作透明轉(zhuǎn)發(fā)，場(chǎng)景3的誤碼率和傳輸時(shí)延都將顯著提高。我們需要注意的是：由于中低軌衛(wèi)星的移動(dòng)，傳輸時(shí)延是時(shí)變的，場(chǎng)景1相應(yīng)的傳輸時(shí)延大約在3～60 ms；場(chǎng)景2相應(yīng)的傳輸時(shí)延大約在200～250 ms；場(chǎng)景3相應(yīng)的傳輸時(shí)延大約在480～500 ms。

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)置

我們主要考慮TCP/IP協(xié)議體系和DTN協(xié)議體系下的協(xié)議傳輸性能這一技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于TCP/IP的協(xié)議體系，我們主要測(cè)試了兩種不同的TCP協(xié)議，分別是TCP-Cubic和TCP-Hybla。TCP-Cubic采用Cubic擁塞控制算法，適應(yīng)于高時(shí)延帶寬積的網(wǎng)絡(luò)（長(zhǎng)肥網(wǎng)絡(luò)（LFN）），Linux系統(tǒng)內(nèi)核默認(rèn)的TCP協(xié)議通常采用Cubic算法。TCP-Hybla主要針對(duì)具有較長(zhǎng)時(shí)延，較高誤碼率的衛(wèi)星或地面無(wú)線(xiàn)鏈路，改進(jìn)了擁塞控制算法。TCP-Hybla可以應(yīng)用于PEP方式衛(wèi)星段的傳輸以改善衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。

對(duì)于DTN的協(xié)議體系，主要測(cè)試BP協(xié)議通過(guò)CLA結(jié)合TCP、UDP、LTP等各種不同的傳輸方法?？紤]到BP適配TCP協(xié)議時(shí)，由于存在額外的BP層的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，DTN（BP+TCP）的傳輸性能必然遜于單純的TCP協(xié)議；而B(niǎo)P適配UDP時(shí)，由于UDP的非可靠傳輸，在挑戰(zhàn)性的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中其傳輸性能會(huì)急劇下降。因此，對(duì)于DTN協(xié)議體系，我們主要測(cè)試了BP+LTP的協(xié)議組合，其中BP協(xié)議未開(kāi)啟托管傳輸，LTP協(xié)議采用紅色模式。

因此，文中我們主要測(cè)試比較以下3種傳輸方式：TCP-Cubic、TCP-Hybla、BP+LTP在不同的信道特性下的傳輸性能。

3 仿真環(huán)境與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 仿真環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

為了獲得盡可能接近實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果，我們采用計(jì)算機(jī)半實(shí)物模擬的仿真方式，利用兩臺(tái)安裝Ubuntu14.04操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)分別模擬不同場(chǎng)景中的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，即衛(wèi)星與地面站。兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上分別安裝了ION-DTN（v3.4）協(xié)議棧以及Linux內(nèi)核自帶的TCP協(xié)議，通過(guò)命令可以設(shè)置實(shí)際使用的擁塞算法。利用廣泛應(yīng)用的軟件信道模擬器Netem模擬兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的衛(wèi)星鏈路的特性，具體包括鏈路時(shí)延、信道丟包率、信道帶寬等參數(shù)。需要注意的是：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于所采用的各種協(xié)議我們沒(méi)有做任何優(yōu)化，全部采用了默認(rèn)的參數(shù)。仿真相關(guān)參數(shù)配置如表2所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與傳輸性能分析

在上述仿真環(huán)境下，我們測(cè)試了2.1節(jié)中討論的（圖4）3種典型場(chǎng)景下不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳輸性能。

3.2.1 鏈路時(shí)延對(duì)傳輸性能的影響

考慮較低的誤碼率（10-7）、較小的信道非對(duì)稱(chēng)（1∶10）條件下，傳輸時(shí)延對(duì)有效吞吐量的影響。根據(jù)表2仿真相關(guān)參數(shù)配置參數(shù)，試驗(yàn)中單向傳輸時(shí)延從3 ms一直增加到1 s，圖5給出了仿真結(jié)果。從圖中可以注意到當(dāng)傳輸時(shí)延非常小時(shí)，TCP-Cubic和TCP-Hybla一樣，傳輸性能都好于DTN；但隨著時(shí)延的增長(zhǎng)，TCP-Cubic的性能出現(xiàn)了顯著的惡化，當(dāng)時(shí)延較長(zhǎng)時(shí)，例如經(jīng)過(guò)一跳或兩跳傳輸時(shí)，TCP-Cubic的傳輸速率不足信道帶寬的30%；TCP-Hybla和BP+LTP協(xié)議性能都好于TCP-Cubic，但是也都出現(xiàn)了顯著的性能下降，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信道容量的充分利用。TCP-Hybla取得了最好的性能，這和我們的直覺(jué)可能存在差異，通常我們會(huì)認(rèn)為在時(shí)延較長(zhǎng)的情況下，DTN顯然應(yīng)該有更好的性能，但并非如此。因DTN中容遲容斷所指的長(zhǎng)延遲是指在星際通信中分鐘級(jí)、小時(shí)級(jí)，甚至更大的時(shí)延，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)條件下的傳輸時(shí)延并不是TCP完全無(wú)法工作的。

3.2.2 誤碼對(duì)傳輸性能的影響

考慮誤碼率對(duì)不同協(xié)議傳輸性能的影響，假設(shè)1∶10信道非對(duì)稱(chēng)，圖6給出了在圖4中3種傳輸場(chǎng)景下的有效吞吐量。首先，在3個(gè)場(chǎng)景中，即3種不同時(shí)延條件下，誤碼率的增加都引起了有效吞吐量的顯著惡化，TCP-Cubic性能在3種協(xié)議中是最差的。我們可以注意到：在高誤碼率（10-5）條件下，不同的協(xié)議都只能獲得非常差的傳輸性能，TCP-Cubic幾乎不可用，而TCP-Hybla和BP+LTP略好。其次，不同于想象，在時(shí)延較長(zhǎng)（場(chǎng)景3）但誤碼率較低（10-7）情況下，DTN協(xié)議并沒(méi)有獲得最優(yōu)的傳輸性能，反而TCP-Hybla的有效吞吐量是最佳的。這一結(jié)果好像與容遲容斷網(wǎng)絡(luò)的名稱(chēng)不符，但事實(shí)上，同樣在有限的時(shí)延下，DTN容遲容斷的特性并不能很好的體現(xiàn)出來(lái)，反而較高的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)可能引起了傳輸性能的下降。另一方面，在3種場(chǎng)景下，我們可以注意到，總的來(lái)說(shuō)DTN與TCP-Hybla的傳輸性能基本相當(dāng)，但是當(dāng)誤碼率從10-7變化到10-6甚至更高時(shí)，TCP-Hybla的性能基本都下降了超過(guò)一半，而DTN（主要是LTP協(xié)議）受誤碼率的影響相對(duì)較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)TCP/IP和DTN兩種相對(duì)較為成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，從傳輸性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以觀(guān)察到：

（1）在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)通過(guò)GEO衛(wèi)星作為骨干網(wǎng)絡(luò)形成準(zhǔn)全球覆蓋的條件下，時(shí)延和誤碼對(duì)不同協(xié)議體系的傳輸性能都有顯著的影響，TCP改進(jìn)協(xié)議與DTN具有相對(duì)較好的傳輸性能。

（2）DTN協(xié)議容時(shí)容斷的特性在有限的時(shí)延和信道非對(duì)稱(chēng)率條件下并不能為傳輸性能帶來(lái)顯著的提升。需要注意的是：測(cè)試中TCP協(xié)議是內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，而星際覆蓋網(wǎng)絡(luò)（ION）-DTN協(xié)議則工作在用戶(hù)空間，因此本身可能存在一定的性能差異。

（3）由于中國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)主要依賴(lài)天基網(wǎng)絡(luò)，在不同的場(chǎng)景下，傳輸時(shí)延、誤碼率存在較大的動(dòng)態(tài)范圍，這對(duì)協(xié)議傳輸性能帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

就實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，并沒(méi)有一種協(xié)議能夠在各種傳輸條件下始終保持傳輸性能最優(yōu)。這也意味著盡管在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)傳輸性能的改進(jìn)與優(yōu)化已經(jīng)較為深入，但是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)具有完全不同的技術(shù)挑戰(zhàn)，即使是在傳輸性能方面仍有改進(jìn)的空間，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的各個(gè)層面還存在著很多問(wèn)題有待于進(jìn)一步探索。

致謝

本研究得到美國(guó)Lamar大學(xué)王汝海教授，南京大學(xué)范晨陽(yáng)、張文瑞的幫助和支持，謹(jǐn)致謝意！

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