基于機器學(xué)習(xí)的空間站天地網(wǎng)絡(luò)TCP 傳輸性能優(yōu)化研究

萬 鵬， 李 瑭， 王 錕， 謝 源， 張 獻， 任筱強， 秦銘晨， 陳云霏， 童錫鵬

(1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所， 北京 100094； 2. 中國載人航天工程辦公室，北京 100071；3. 北京航天飛行控制中心，北京 100094；4. 中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計部，北京 100094；5. 中國人民解放軍 32039 部隊，北京 102300；6. 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094；7. 北京輕網(wǎng)科技有限公司，北京 100094)

1 引言

空間站任務(wù)中，為確保航天員保持良好的心理狀態(tài)，為在軌航天員提供網(wǎng)頁瀏覽、收發(fā)電子郵件、視頻聊天等在軌交互式網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)在中國航天任務(wù)及測控通信領(lǐng)域中尚屬首次。

交互式網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的應(yīng)用程序通?；赥CP/IP協(xié)議棧[1]開發(fā)，由于天地?zé)o線鏈路(通常為中繼鏈路)具有傳播延遲時延大、帶寬受限、誤碼率高、鏈路容量非對稱、通信易中斷等特征[2]。 國內(nèi)外研究結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議直接應(yīng)用于天地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境傳輸性能將會下降(僅幾十至幾百kbps)[3-5]，無法適應(yīng)日益增長的網(wǎng)絡(luò)交互需求，為此需要研究一種適用于空間站天地網(wǎng)絡(luò)特性的TCP 傳輸性能優(yōu)化方法，提升網(wǎng)頁瀏覽、電子郵件、文件傳輸?shù)忍斓鼐W(wǎng)絡(luò)交互支持業(yè)務(wù)信息傳輸性能。

本文在研究天地鏈路TCP 降速機理的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)常用的TCP 加速技術(shù)的不足；針對天地交互式網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的工程現(xiàn)狀，提出了基于機器學(xué)習(xí)的空間站天地網(wǎng)絡(luò)TCP 傳輸性能優(yōu)化方法，實現(xiàn)了在數(shù)據(jù)傳輸過程中動態(tài)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)特征、基于歷史可用帶寬進行窗口回退、引入數(shù)據(jù)包傳輸序號進行快速丟包判斷等優(yōu)化策略，并結(jié)合實驗室模擬環(huán)境與實際空間站工程天地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對不同協(xié)議傳輸性能進行了測試比較，給出了測試結(jié)果。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 降速機理

丟包與時延對TCP 傳輸性能下降影響仿真結(jié)果見圖1，當(dāng)端到端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道上存在一定丟包和延時的情況下，TCP 連接的吞吐會顯著下滑，常常無法有效地利用帶寬，從而造成帶寬的閑置和浪費，導(dǎo)致長距離數(shù)據(jù)傳輸速度變慢。

圖1 丟包與時延對TCP 傳輸性能下降影響仿真結(jié)果Fig.1 Simulation results of the TCP degradation due to package loss and time delay

在空間站工程中，天地?zé)o線鏈路具有傳播延遲時延大、帶寬受限、誤碼率高、鏈路容量非對稱、通信易中斷等特征，標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議直接應(yīng)用于天地鏈路將導(dǎo)致業(yè)務(wù)傳輸性能下降。 標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議的缺陷主要包括:

1) 未考慮非擁塞因素造成的丟包。 標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議認(rèn)為發(fā)生丟包的主要原因就是擁塞。超長距離空間鏈路條件下，高誤碼率引起端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議常常進入過于保守的傳輸狀態(tài)。

2) 擁塞后的保守傳輸。 擁塞發(fā)生后，由于標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議不清楚鏈路上實際可用的帶寬，往往采用大幅降低傳輸速率的方式進行恢復(fù)，導(dǎo)致鏈路帶寬的閑置。

3) 丟包重傳不夠及時。 標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議通常采用2 種手段判斷丟包:①接收端統(tǒng)計連續(xù)重復(fù)確認(rèn)包(Dup-ACK)的數(shù)量，當(dāng)收到3 個Dup-ACK后即判斷為丟包；②ACK 超時后也判斷為丟包。當(dāng)有較多丟包時，往往要靠ACK 超時來判讀超時并引發(fā)重傳。 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的丟包經(jīng)常是陣發(fā)，一個連接上有多個數(shù)據(jù)包同時丟失是常有的事。 因此，標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議經(jīng)常要靠超時來重傳補洞，往往導(dǎo)致幾秒甚至上十秒的等待狀態(tài)，讓傳輸長時間停滯甚至斷線。

2.2 現(xiàn)有加速技術(shù)及不足

2.2.1 Loss-based TCP 加速技術(shù)

Loss-based TCP 加速技術(shù)，包括New Reno[6]，BIC[7]，Cubic[8]沿襲了主流TCP 以丟包來判斷擁塞并調(diào)整傳輸速率的方式，主要存在以下2 個問題:

1) 將丟包作為擁塞發(fā)生的信號很容易誤判，導(dǎo)致傳輸速率下降，帶寬得不到有效利用；

2) 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常隊列比較深，當(dāng)擁塞發(fā)生時隊列變長，延遲顯著提高，但丟包遲遲不會發(fā)生。 Loss-based TCP 加速機制將繼續(xù)高速傳輸直到隊列完全充滿，往往導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)包丟失。 這不但加重了路徑節(jié)點擁塞，而且需要花更長時間從大量丟包中恢復(fù)過來，經(jīng)常會導(dǎo)致傳輸阻滯。

2.2.2 Delay-based TCP 加速技術(shù)

Delay-based TCP 加速技術(shù)，包括Vegas[9]，F(xiàn)astTCP[10]采用延遲的變化來判斷擁塞程度并相應(yīng)調(diào)整傳輸速度，主要存在以下問題:

1) 當(dāng)TCP 連接路徑上擁塞節(jié)點的隊列很淺時，延遲并不提高，擁塞體現(xiàn)為陣發(fā)的丟包。 Delay-based TCP 加速技術(shù)感應(yīng)不到這種擁塞，會導(dǎo)致傳輸速率顯著降低；

2) 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)路徑本身的延遲就變化很大時，Delay-based TCP 加速技術(shù)會將非擁塞因素導(dǎo)致的延遲增加誤判為擁塞并轉(zhuǎn)入擁塞處理，從而導(dǎo)致沒有必要的壓低傳輸速率。

2.3 工程現(xiàn)狀

空間站長期有人駐留飛行期間，在軌航天員可使用專用筆記本電腦或手持終端(手機、平板電腦等)接入艙載WIFI 網(wǎng)絡(luò)，利用中繼衛(wèi)星提供的寬帶無線鏈路與地面飛控中心服務(wù)器進行局域網(wǎng)業(yè)務(wù)交互，實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸、電子郵件、即時通訊等功能，大大提升了天地協(xié)同效率。

目前，空間站天地網(wǎng)絡(luò)基于IP over CCSDS AOS 協(xié)議體系設(shè)計，通過系統(tǒng)間大型聯(lián)試開展了天地網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)信息傳輸性能測試，采用中繼前返向KSA 鏈路在地面飛控中心服務(wù)器與航天器筆記本終端之間進行了電子郵件、文件傳輸?shù)萒CP業(yè)務(wù)傳輸。 2021 年初，相關(guān)系統(tǒng)開展了星-星-地大回路端到端信息傳輸測試，結(jié)果表明，由于航天員專用筆記本采用通用操作系統(tǒng)，基于標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議棧，不具備加速功能，因此下行TCP 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率不超過200 kbps(300 Mbps 帶寬)，帶寬利用率很低；地面飛控中心服務(wù)器麒麟操作系統(tǒng)啟用了自帶的TCP Cubic 協(xié)議擴展選項，上行TCP 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率未超過 4.5 Mbps(10 Mbps 帶寬)，帶寬利用率尚有一定拓展空間。

3 基于機器學(xué)習(xí)的TCP 優(yōu)化方法

3.1 優(yōu)化要求

引入的TCP 優(yōu)化方法應(yīng)滿足以下基本要求:1)具備良好的兼容性，各終端設(shè)備操作系統(tǒng)裝配的現(xiàn)有TCP 協(xié)議?？刹蛔龈鼊樱?/p>

2)具備良好的適配性，各終端設(shè)備應(yīng)用程序仍可與現(xiàn)有TCP 協(xié)議棧交互；

3)具有良好的數(shù)據(jù)一致性，不改變各應(yīng)用程序業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)容及TCP 協(xié)議棧封裝格式，通過優(yōu)化擁塞控制算法，調(diào)整數(shù)據(jù)包傳送時機及重傳時機，達到協(xié)議優(yōu)化加速目的；

4)具有良好的拓?fù)湟恢滦?，部署時應(yīng)確保維持空間站各艙段及飛控中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼芭渲矛F(xiàn)狀。

3.2 優(yōu)化方法

針對現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)TCP 協(xié)議加速技術(shù)的不足，如TCP Cubic 基于的Loss-based 技術(shù)、Fast TCP 基于的Delay-based 技術(shù)，本文提出了基于機器學(xué)習(xí)的空間站天地網(wǎng)絡(luò)TCP 傳輸性能優(yōu)化方法。

3.2.1 算法機制

本文提出的TCP 優(yōu)化算法機制是通過一個自動學(xué)習(xí)狀態(tài)機(Learning State-Machine)來實現(xiàn)，如圖2 所示，每一個TCP 連接都對應(yīng)一個自動學(xué)習(xí)狀態(tài)機，記錄該TCP 連接的網(wǎng)絡(luò)路徑特征并動態(tài)決定適合該連接的擁塞判斷及恢復(fù)機制和丟包判斷機制。 圖中的數(shù)據(jù)流過濾器(Flow Profiler)主要負(fù)責(zé)直接提取網(wǎng)絡(luò)路徑外在特征并輸入給自動學(xué)習(xí)狀態(tài)機。 自動學(xué)習(xí)狀態(tài)機積累的智能信息被圖2 所示的丟包探測器、擁塞控制器、異常處理器、窗口控制器及資源管理器等模塊所使用，用于調(diào)整相應(yīng)TCP 連接的傳輸行為。 異常處理器和窗口控制器模塊也會動態(tài)反饋信息給自動學(xué)習(xí)狀態(tài)機用于進一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)路徑學(xué)習(xí)。

圖2 本文TCP 優(yōu)化算法機制Fig. 2 The mechanism of TCP optimization algorithm in this paper

3.2.2 算法特性

該方法采用網(wǎng)絡(luò)路徑特征自學(xué)習(xí)的動態(tài)算法，基于每一個TCP 連接實時觀察、分析網(wǎng)絡(luò)特征，根據(jù)學(xué)習(xí)到的網(wǎng)絡(luò)特征隨時調(diào)整算法來更準(zhǔn)確的判斷擁塞程度、更及時地判斷丟包，從而更恰當(dāng)?shù)倪M行擁塞處理并更快速的進行丟包恢復(fù)。

這一設(shè)計從原理上克服了靜態(tài)算法無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)路徑特征變化的問題，保證了在各種不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包特征下加速效果的持續(xù)有效性。 算法用于在傳輸過程中動態(tài)學(xué)習(xí)判斷每個特定連接的網(wǎng)絡(luò)路徑特征，如端到端延遲及其變化特征、接收端反饋數(shù)據(jù)包(ACK)的到達間隔及其變化、數(shù)據(jù)包逆序程度及變化特征、可能由安全設(shè)備深度數(shù)據(jù)檢測引起的延遲抖動、各種因素導(dǎo)致的隨機丟包等。 在實時跟蹤這些特征的同時，隨時綜合分析這些特征并從中推導(dǎo)出在這個特定TCP 連接網(wǎng)絡(luò)路徑上反映擁塞及丟包的前兆信號，再根據(jù)這些動態(tài)智能學(xué)習(xí)的結(jié)果判斷擁塞程度，決定與當(dāng)前路徑可用帶寬相匹配的發(fā)送速度、擁塞恢復(fù)機制、并準(zhǔn)確及時的進行丟包判斷及恢復(fù)。

3.3 優(yōu)化過程

本文所提TCP 傳輸優(yōu)化方法實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸過程中動態(tài)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)特征、基于歷史可用帶寬進行窗口回退、引入數(shù)據(jù)包傳輸序號進行快速丟包判斷等優(yōu)化策略，可在不改變數(shù)據(jù)內(nèi)容及封裝格式情況下，通過擁塞控制算法的改進來調(diào)整數(shù)據(jù)包的傳送及重傳時機，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸加速的目標(biāo)，具體過程描述如下。

3.3.1 動態(tài)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)特征

在TCP 數(shù)據(jù)傳輸過程中，本文優(yōu)化方法會動態(tài)追蹤某個特定TCP 連接的網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路，學(xué)習(xí)判斷該路徑的重要特征并進行統(tǒng)計，主要包括:

1)發(fā)送端與接收端統(tǒng)計端到端傳輸時延及其變化情況；

2)發(fā)送端統(tǒng)計接收端傳遞的反饋數(shù)據(jù)包(ACK)的到達時間間隔及其變化情況；

3)發(fā)送端與接收端統(tǒng)計前期數(shù)據(jù)傳輸期間的最大可用帶寬及其變化情況；4)接收端統(tǒng)計數(shù)據(jù)包逆序程度及變化情況；5)發(fā)送端與接收端收集分析可能由網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備深度檢測所引起的時延抖動情況。

在收發(fā)兩端實時跟蹤以上特征的同時，隨時分析網(wǎng)絡(luò)特征并從中推導(dǎo)出某特定TCP 連接的網(wǎng)絡(luò)鏈路上所反映出的擁塞及丟包潛在信息，然后根據(jù)動態(tài)智能學(xué)習(xí)結(jié)果判斷擁塞程度，確定與當(dāng)前TCP 連接可用帶寬相匹配的發(fā)送速度、擁塞恢復(fù)機制，并準(zhǔn)確及時的進行丟包判斷及恢復(fù)。

3.3.2 擁塞判斷與處置

在擁塞判斷與處置方面，主要功能包括:

1) 統(tǒng)計丟包和時延的雙重變化，引入TCP鏈路網(wǎng)絡(luò)特征自學(xué)習(xí)動態(tài)算法機制來提升擁塞判斷的準(zhǔn)確性和及時性，通過動態(tài)學(xué)習(xí)分析的方式推導(dǎo)出TCP 鏈路上潛在的擁塞信號，過濾掉并非由擁塞導(dǎo)致的丟包和時延變化，避免非擁塞丟包導(dǎo)致的發(fā)送窗口回退。 擁塞機制對比示意見圖3所示。

當(dāng)出現(xiàn)非擁塞導(dǎo)致的丟包，標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議會誤判為鏈路擁塞，對TCP 發(fā)送窗口盲目回退，導(dǎo)致傳輸速度大幅下降；經(jīng)過TCP 優(yōu)化后，可以精準(zhǔn)判斷出丟包是非擁塞因素造成，不進行TCP 發(fā)送窗口回退，保證傳輸速率不產(chǎn)生回退。

2) 基于歷史可用最大可用帶寬及其變化進行歷史窗口回退，優(yōu)化算法隨時總結(jié)逼近當(dāng)前TCP 鏈接上的實際可用帶寬(使用略低的傳輸速率以清空路徑隊列，有利于網(wǎng)絡(luò)擁塞節(jié)點的狀態(tài)恢復(fù))。 當(dāng)擁塞發(fā)生時，使用當(dāng)前最佳逼近結(jié)果來決定發(fā)送窗口的回退幅度，保持較高的傳輸速率，擁塞機制對比示意圖如圖4 所示。 對于標(biāo)準(zhǔn)TCP，發(fā)生丟包后，TCP 發(fā)送窗口會固定大幅回退固定的比例；經(jīng)過TCP 優(yōu)化后，如果丟包被判斷為鏈路擁塞導(dǎo)致，會基于歷史傳輸信息進行窗口回退，回退至上一次未發(fā)生擁塞時的TCP 發(fā)送窗口。

圖4 擁塞機制對比示意圖2Fig.4 Comparison diagram 2 of congestion control

3.3.3 快速丟包判斷

在快速丟包判斷方面，主要功能包括:

1) 引入TCP 連接路徑網(wǎng)絡(luò)特征自學(xué)習(xí)動態(tài)算法來快速預(yù)測丟包；

2) 在TCP 發(fā)送側(cè)跟蹤數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序，并在發(fā)送時為每個數(shù)據(jù)包分配一個order-stamp(數(shù)據(jù)包發(fā)送順序序號記錄值)，根據(jù)來自接收側(cè)的ACK 或SACK 信息記錄的接收到的數(shù)據(jù)包的highest- recv-order(接收端已確認(rèn)收到數(shù)據(jù)包的最大序號)，以未被ACK 或SACK 且具有小于highest-recv-order 的order-stamp 值作為丟包信號，重傳這些order-stamp 值的數(shù)據(jù)包。 丟包判斷機制對比示意圖如圖5 所示。 發(fā)生丟包后，標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議會在發(fā)送端收到3 個Dup-ACK 之后判斷為丟包；經(jīng)過TCP 協(xié)議優(yōu)化之后，發(fā)送端在收到order-stamp 值作為的丟包信號之后立刻判斷為丟包，可以縮短丟包判斷的時間。

圖5 快速丟包判斷機制對比示意圖Fig.5 Comparison of fast package loss detection

3) 發(fā)送一個字節(jié)探測數(shù)據(jù)包，從接收側(cè)觸發(fā)ACK 或SACK 以檢測分組丟失，并避免超時重傳。

在超長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)中，如光纖、空間無線環(huán)境，這種比標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議更快的丟包重傳機制，有利于維持更快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸速率。

3.4 工作框圖

TCP 協(xié)議優(yōu)化引擎以TCP 代理方式工作在操作系統(tǒng)TCP 協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動模塊之間，對內(nèi)LAN 側(cè)與操作系統(tǒng)TCP 協(xié)議棧交互，對外WAN 側(cè)將數(shù)據(jù)包送到網(wǎng)卡驅(qū)動。

TCP 協(xié)議優(yōu)化的工作方式如圖6 所示，在空間站天地一體網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸系統(tǒng)中，廣域網(wǎng)由地面飛控中心、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、空間站構(gòu)成的中繼前返向KSA 鏈路所表征。 該工作方式對應(yīng)用程序及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙该鳌?TCP 協(xié)議優(yōu)化引擎不需要與上層應(yīng)用有任何交互，也對具體網(wǎng)絡(luò)接口沒有任何要求，可實現(xiàn)全透明安裝及全透明工作模式。

圖6 TCP 協(xié)議優(yōu)化工作框圖Fig.6 Block diagram of TCP optimization

4 測試結(jié)果

4.1 實驗室模擬環(huán)境

在實驗室搭建模擬測試環(huán)境，服務(wù)器和客戶端之間串接網(wǎng)絡(luò)損傷儀，通過網(wǎng)絡(luò)損傷儀調(diào)整鏈路時延、時延抖動、丟包率等參數(shù)，得到模擬環(huán)境TCP 優(yōu)化效果試驗結(jié)果如表1 所示，其中時延固定取值為600 ms、時延抖動固定取值為30 ms，加速比為優(yōu)化后速率/優(yōu)化前速率的比值。

表1 實驗室模擬環(huán)境TCP 優(yōu)化試驗結(jié)果Table 1 Results of TCP throughput optimization test in lab

根據(jù)表1 測試結(jié)果，在鏈路丟包率從0.1%至10%區(qū)間范圍內(nèi)變化時，本文提出的TCP 優(yōu)化方法均能有效提升TCP 業(yè)務(wù)的信息傳輸吞吐量，加速比不低于5.4(優(yōu)于7.3 dB)。 進一步測試可知，當(dāng)鏈路丟包率大于10%后，標(biāo)準(zhǔn)TCP 業(yè)務(wù)速率很低，TCP 優(yōu)化方法的加速效果也并不明顯，可見鏈路質(zhì)量對于TCP 傳輸業(yè)務(wù)具有重要影響。

4.2 空間站天地網(wǎng)絡(luò)鏈路

2021 年3 月，開展了空間站天地網(wǎng)絡(luò)TCP 加速專項測試，通過前返向中繼KSA 鏈路測試了航天器載筆記本與地面飛控中心服務(wù)器之間雙向文件傳輸性能。 測試結(jié)果表明，本文提出的TCP 優(yōu)化方法加速性能良好，在前向10 Mbps、返向300 Mbps、往返時延約550 ms 的實際中繼KSA 信道條件下，可大幅提升天地網(wǎng)絡(luò)TCP 業(yè)務(wù)信息傳輸性能，具體表現(xiàn)為:①上行文件傳輸平均速率由TCP Cubic 條件下的3.4 Mbps 提升至6.82 Mbps，加速比不低于2，信息傳輸增益優(yōu)于3 dB；②下行文件傳輸平均速率由標(biāo)準(zhǔn)TCP 條件下的168.51 kbps提升至12.49 Mbps，加速比不低于74，信息傳輸增益優(yōu)于18 dB。

通過分析可知，由于空間無線鏈路傳輸損耗和信道噪聲信號干擾，數(shù)據(jù)傳輸過程中會產(chǎn)生一定的丟包率，本文提出的TCP 優(yōu)化方法在測試中正確的識別出了這類非鏈路擁塞導(dǎo)致的丟包，避免了非擁塞丟包導(dǎo)致的發(fā)送窗口回退；同時在真正發(fā)生擁塞丟包時，進行更快速的丟包判斷，并把發(fā)送窗口回退到逼近當(dāng)前實際可用帶寬(不會發(fā)生擁塞)的發(fā)送窗口值。 通過上述2 個方面優(yōu)化，達到了相對于標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議更高的相對穩(wěn)定的平均傳輸速度。

4.3 實驗室結(jié)果與空間站工程結(jié)果對比分析

在實驗室模擬環(huán)境中，客戶端與服務(wù)器之間通過有線鏈路互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議棧，附加TCP 優(yōu)化模塊，鏈路層為局域網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)特征具有節(jié)點數(shù)目有限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唵巍㈦p向帶寬對稱性、可用帶寬大、往返時延抖動較小等特點，TCP 數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)流量較為平穩(wěn)，測試結(jié)果可為本文所提TCP 優(yōu)化方法提供可行性驗證，為后續(xù)開展空間站工程測試提供了先決條件。

在空間站天地網(wǎng)絡(luò)鏈路條件下，客戶端與服務(wù)器之間通過空間無線鏈路互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議棧，附加TCP 優(yōu)化模塊，鏈路層為基于CCSDS AOS 的IP 封裝協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)特征具有節(jié)點數(shù)目多、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜(客戶端與服務(wù)器跨接了空間站局域網(wǎng)、中繼衛(wèi)星鏈路、地面通信網(wǎng)3 個不同的子網(wǎng))、帶寬非對稱性、上行可用帶寬受限等特點，TCP 數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)流量略有起伏，在數(shù)據(jù)格式定義及天地鏈路特性等方面均與實驗室環(huán)境具有較大差異，測試結(jié)果在傳輸加速比、吞吐量等方面具有一定的差異性，盡管如此，二者都對本文所提TCP 優(yōu)化方法進行了有效驗證。

5 結(jié)論

本文提出了一種適用于空間站天地網(wǎng)絡(luò)特性的TCP 傳輸性能優(yōu)化方法。

1) 針對現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)TCP 協(xié)議加速技術(shù)的不足，實現(xiàn)了傳輸過程中動態(tài)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)路徑特征、基于歷史可用帶寬進行窗口回退、引入數(shù)據(jù)包傳輸序號進行快速丟包判斷等優(yōu)化策略。

2) 通過實驗室模擬環(huán)境測試及空間站天地網(wǎng)絡(luò)實際鏈路測試，TCP 優(yōu)化方法可大幅提升天地網(wǎng)絡(luò)TCP 業(yè)務(wù)信息傳輸性能，為后續(xù)開展天地網(wǎng)絡(luò)交互式業(yè)務(wù)提供了高速可靠的信息傳輸保障條件。