陳明玉，程子敬

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

衛(wèi)星通信具有覆蓋面廣、可擴展性強、用戶接入方便和不受地域條件限制等優(yōu)點，是地面光纖難以鋪設或人口稀疏等偏遠地區(qū)進行長距離寬帶網(wǎng)絡接入的一種重要補充手段。然而傳統(tǒng)基于地面因特網(wǎng)的傳輸層協(xié)議TCP用在具有長傳輸時延、高丟包率、非對稱帶寬、間歇性連接等特性的衛(wèi)星鏈路中，其性能大打折扣。減小衛(wèi)星鏈路時延影響，解決與地面網(wǎng)的互通問題，提高鏈路傳輸速率，是衛(wèi)星通信必須解決問題，因此各種加速方法尤其是傳輸層加速技術得到廣泛研究。針對衛(wèi)星鏈路應用先后提出了多種改進型TCP協(xié)議或策略， 如 SACK、TCP Hybla、TCPW、TCP Vegas以及最新發(fā)展的SCPS協(xié)議。這些改進型協(xié)議在某些方面均有一定的性能提高[1]，但對于衛(wèi)星鏈路應用還有待進一步改善，以達到性能的全面提升。

1 SCPS協(xié)議應用研究

1.1 SCPS協(xié)議用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)

空間通信協(xié)議規(guī)范SCPS（Space Communication Protocol Standards）主要用于空間多顆衛(wèi)星、空間實驗室及地面射頻終端等組成的空間互聯(lián)網(wǎng)的星與星或星與地之間的通信[2]。SCPS協(xié)議以TCP/IP協(xié)議為模型，包含網(wǎng)絡協(xié)議、安全協(xié)議、傳輸協(xié)議及文件協(xié)議，尤其是傳輸協(xié)議SCPS-TP（SCPSTransport Protocol）最為重要。SCPS-TP是在TCP協(xié)議基礎上，針對空間鏈路往返時延可變、帶寬不對稱、間歇性連接等特點，作的相應修改和擴展，從而為空間通信網(wǎng)絡提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸，以適應當前和未來的空間任務需求。

衛(wèi)星通信是地面通信雙方的源端與目的端之間，以通信衛(wèi)星作為傳輸和轉發(fā)中介的一種通信方式。將源端網(wǎng)關和目的端網(wǎng)關分別看作空間互聯(lián)網(wǎng)的2個節(jié)點時，則與其通信的衛(wèi)星作為第3個節(jié)點構成的網(wǎng)絡，也適合使用空間互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議SCPS。 本文基于此對SCPS協(xié)議簇傳輸層協(xié)議SCPS-TP在GEO同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應用進行了研究，并提出了改進型擁塞控制策略。

1.2 SCPS-TP協(xié)議擁塞控制方法

SCPS-TP對于空間鏈路應用采取了非常多的有效措施，如SNACK策略、TP包頭壓縮、丟包時區(qū)分鏈路降質原因[3]，但是其擁塞控制策略還未達到最好的傳輸性能。SCPS-TP協(xié)議的擁塞控制方式有Van Jacobson（簡稱VJ）和Vegas兩種。VJ方式是基于傳統(tǒng)TCP協(xié)議的擁塞控制方法，在慢啟動階段發(fā)送窗口呈現(xiàn)指數(shù)增長，即源端每收到一個新的ACK則cwnd（擁塞窗口，Congestion Window）增 1；每經(jīng)過 1個往返時延RTT（Round Trip Time）窗口增大1倍；擁塞避免階段cwnd為線性增長，每經(jīng)過1個RTT擁塞窗口增1；一旦出現(xiàn)丟包就認為發(fā)生擁塞，窗口降回初始值，重新進入慢啟動。Vegas方式則是準確計算傳輸時延RTT并以期望吞吐量與實際吞吐量差值（Δ）來區(qū)分鏈路帶寬使用情況的改進型擁塞控制方法，在擁塞避免階段如果鏈路帶寬應用不夠充分，即Δ＜α，則每收到一個新的ACK窗口增1，若鏈路帶寬得到較為充分應用，即Δ＞β，則每收到一個新的ACK窗口減1，否則窗口保持不變。研究結論表明Vegas控制策略較VJ能取得更好性能[4－5]。

2 改進型Vegas擁塞控制策略

2.1 改進策略的思想

Vegas擁塞控制策略[6]的cwnd增加方法在大時延空間鏈路上顯得保守緩慢，其探測帶寬的靈敏性使得它較早地對網(wǎng)絡狀況作出響應，從而過早結束慢啟動進入擁塞避免階段，極大降低平均吞吐量。而Hybla擁塞控制策略在慢啟動階段cwnd增長方式不受長RTT的影響，鏈路cwnd能在較短時間內增大到合適的大小，在衛(wèi)星通信鏈路仍能保持較高的平均吞吐量，但是Hybla窗口增大的同時也增加了丟包發(fā)生的幾率[7]。

本文在綜合考慮Vegas和Hybla及相關改進型TCP的擁塞控制策略優(yōu)點的基礎上，提出新的用于衛(wèi)星通信鏈路的擁塞控制策略，稱之為Veghy策略。Veghy策略在慢啟動階段，cwnd借鑒Hybla協(xié)議按比例因子ρ的方式增加；而在擁塞避免階段同Vegas方法，根據(jù)測得的RTT值并利用α和β判斷鏈路帶寬利用情況，從而控制cwnd的增或減，Δ＜α時cwnd增1，Δ＞β時cwnd減1，否則cwnd保持不變；當鏈路發(fā)生（多個）包丟失或超時的情況時，cwnd不再是對半減小，而是減小1/4，再根據(jù)反饋情況來決定是否依據(jù)鏈路帶寬利用情況來增加cwnd。最終Veghy策略可以同Vegas一起成為SCPS－TP協(xié)議擁塞控制策略的選項之一，從而用于進一步提高空間通信鏈路的傳輸速率。

2.2 實現(xiàn)偽代碼

實現(xiàn)Veghy策略的偽代碼如下：

其中i表示收到第i個ACK，Δ為期望傳輸速率與實際傳輸速率之差，α和β為選定的值，一般α和β取值分別為1，3和2，4，比例因子ρ為實際RTT與基準值RTT0的比值，ρ=RTT/RTT0，一般 RTT0取值為 25 ms。

2.3 優(yōu)勢分析

從理論上分析，Veghy方法相比于其他加速方法，有如下優(yōu)勢：首先Veghy應用基于SCPS－TP協(xié)議，其繼承了SCPSTP非常有利的因素，比如SNACK，TP包頭壓縮技術，更重要的是SCPS－TP區(qū)分丟包原因，因而，Veghy必定是在由于鏈路發(fā)生擁塞時才采取降低擁塞窗口的措施。其次，Veghy借鑒了TCP Hybla的窗口增長方式，對于長RTT的情況能快速將窗口增大到合適的值，有效地減少慢啟動階段所需要的時間，提高了鏈路的平均吞吐量。最后，Veghy擁塞控制方法基于Vegas策略的區(qū)分鏈路帶寬利用情況，利用率低時窗口增長快，反之增長慢，當利用趨于超載時減小擁塞窗口。當將Veghy策略選擇作為SCPS－TP的擁塞控制方法時，新的SCPS－TP協(xié)議基本集成了目前多種方法的優(yōu)勢因素。

3 NS2仿真及其結果分析

3.1 仿真參數(shù)設置

NS2是目前較為廣泛使用的一種網(wǎng)絡仿真軟件，支持多種版本的TCP協(xié)議，如TCP Vegas、TCP NewReno等，而且方便擴展[8]。本文將Veghy策略用于TCP協(xié)議中對其在GEO衛(wèi)星鏈路上的使用性能進行仿真。仿真網(wǎng)絡由1個地面源端點、1個地面目的端點及1顆作為轉發(fā)路由的GEO同步軌道通信衛(wèi)星3個節(jié)點組成。GEO衛(wèi)星鏈路往返傳播時延為480 ms，再加CPU處理延時及緩存隊列排隊延時等，共約540 ms。其他NS2網(wǎng)絡仿真參數(shù)包括網(wǎng)絡接口棧參數(shù)設置如表1所示。

3.2 仿真結果

NS2仿真中可以設置誤碼模塊的丟包率或誤碼率。在設置丟包率為2%情況下，Veghy策略與Vegas和NewReno擁塞窗口和吞吐量的對比結果分別如圖1和圖2所示，仿真時間為200 s。圖3為鏈路在不同丟包率情況下仿真200 s時的平均吞吐量的對比結果。

3.3 仿真結果分析

從圖1和圖2來看，Veghy策略能在更短時間內將擁塞窗口增大到合適的值，使得平均吞吐量更快達到較大值，其擁塞窗口最高值較Vegas高，平均值比Vegas略高，最終Veghy平均吞吐量約150 pkts，較Vegas策略約130 pkts的吞吐量有15%的提高，較NewReno策略約100 pkts的吞吐量有近50%的提高。從圖3結果看，不管是在較高或是較低丟包率情況下，Veghy策略的平均吞吐量均較Vegas和NewReno有較大提高，表明Veghy策略更適合于衛(wèi)星鏈路。

4 結 論

用于空間互聯(lián)網(wǎng)通信的SCPS協(xié)議經(jīng)過合理的應用設計，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中也是適用的。基于傳輸層SCPS-TP協(xié)議所采用的Vegas擁塞控制策略的Veghy策略，在慢啟動階段借鑒了Hybla方法的窗口增長方法，擁塞窗口不受長RTT的影響，能快速增長到一個較大的合適值，隨后大部分時間內，處于擁塞避免階段，并且在快速恢復/快速重傳階段，擁塞窗口減少1/4而不是1/2，使得擁塞窗口平均值較高，因而其吞吐量性能得到了一定的提高，在GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的仿真應用中取得了較好的效果。

表1 GEO衛(wèi)星鏈路的NS2仿真參數(shù)設置Tab.1 Settings of NS2 simulation parameters in GEO satellite link

圖2 GEO鏈路上平均吞吐量變化情況對比Fig.2 Comparison of average throughput on GEO link

圖3 GEO鏈路上吞吐量受丟包率的影響Fig.3 Comparison of packet loss affection on GEO link

[1]Caini C，F(xiàn)irrincieli R.End-to-end TCP enhancements performance on satellite links[C]//Proceedings of the 11th IEEE Symposium on Computers and Communications （ISCC'06），2006:1031-1036.

[2]The Consultative Committee for Space Data Systems.CCSDS 710.0-G-0.4. Space communication protocol standards（SCPS）:rational，requirements and application notes[S].Green Book，Draft 0.4.N/A:CCSDS，1998.

[3]The Consultative Committee for Space Data Systems.CCSDS 714.0-B-2.space communication protocolspecificationtransport protocol（SCPS-TP）[S].Blue Book， Recommended Standard，Issue 2.Washington DC:CCSDS，2006.

[4]顧明，張軍.SCPS-TP協(xié)議用于LEO衛(wèi)星網(wǎng)的性能分析與改進[J].遙測遙控， 2007， 28（1）:30-33.

GU Ming，ZHANG Jun.The performance analysis and improvement of SCPS-TP in LEO satellite networks[J].Journal of Telemetry， Tracing， and Command，2007，28（1）:30-33.

[5]WANG Ru-hai，Horan S.An experimental evaluation of SCPS-TP over lossy GEO-Space links[C]//2006 Global Telecommunications Conference（IEEE GLOBECOM/EXPO 2006）， 2006（9）:WLC40-2.

[6]Brakmo L，Peterson L.TCP Vegas:End to end congestion avoidance on a global internet[J].IEEE JSAC，1995， （13）（8）:1465-1480.

[7]Caini C，F(xiàn)irrincieli R.TCP Hybla:a TCP enhancement for heterogeneous networks[J].International Journal of Satellite Communications and Networking， 2004（22）:547–566.

[8]Fall K，Varadhan K.Nsnam web pages-The ns manual[EB/OL].（2000-08-24）[2010-01-10].http://www.isi.edu/nsnam/.