王金苗 葉建設(shè) 許鵬文

1. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院訓(xùn)練部，北京 101416；

2. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院信息裝備系，北京 101416；

3. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院裝備采辦系，北京 100720

衛(wèi)星鏈路上SCPS-TP協(xié)議中的SNACKTCP性能分析

王金苗1葉建設(shè)2許鵬文3

1. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院訓(xùn)練部，北京 101416；

2. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院信息裝備系，北京 101416；

3. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院裝備采辦系，北京 100720

闡述了將空間互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議SCPS-TP用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的概況，介紹了將現(xiàn)有TCP協(xié)議擴(kuò)展到空間的TCP頭部壓縮策略和ACK控制算法改進(jìn)，以SCPS-TP協(xié)議所使用的SNACK機(jī)制為研究對(duì)象，對(duì)其在GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路中的應(yīng)用進(jìn)行NS2環(huán)境下的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，比較分析了SNACKTCP和傳統(tǒng)TCP的性能，有針對(duì)性地進(jìn)行了鏈路誤碼率變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，證實(shí)了SNACKTCP在衛(wèi)星通信環(huán)境下的優(yōu)良性能。

衛(wèi)星通信；SCPS-TP協(xié)議；SNACKTCP；NS2

引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋面廣、可擴(kuò)展性強(qiáng)、用戶(hù)接入方便和不受地域條件限制等優(yōu)點(diǎn)，是地面光纖難以鋪設(shè)或人口稀疏等偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)距離寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的一種重要補(bǔ)充手段。與地面環(huán)境具有明顯不同的是，衛(wèi)星鏈路信環(huán)境具有不對(duì)稱(chēng)信道、高信道誤碼率、長(zhǎng)傳輸延遲和間歇性連接等特點(diǎn)，將基于地面互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的傳輸控制協(xié)議/ 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(T ransfer Con tro l Pro tocol/In ternet Protocol，TCP/IP)直接用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致較低的性能。20世紀(jì)90年代，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)(CCSDS)借鑒TCP/IP的分層設(shè)計(jì)思想，提出了一套空間通信協(xié)議(Space Comm un ication Protocol Specification，SCPS)。目前SCPS已經(jīng)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并且被多個(gè)國(guó)家采用或部分采用，是所有CCSDS SCPS中最為成熟并得到實(shí)際應(yīng)用的協(xié)議。

1 SCPS協(xié)議用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1.1 SCPS-TP協(xié)議簡(jiǎn)介

空間通信協(xié)議規(guī)范SCPS主要用于空間多顆衛(wèi)星、空間實(shí)驗(yàn)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。SCPS協(xié)議以TCP／IP協(xié)議為模型，包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(SCPS Netw ork Protocol，SCPSNP)、安全協(xié)議(SCPS Security Protocol，SCPS-SP)、傳輸協(xié)議(SCPS T ranspor t Protocol，SCPS-TP)及文件協(xié)議(SCPS File Pro toco l, SCPS-FP)，尤其是傳輸協(xié)議SCPS-TP最為重要[1],在使用SCPS協(xié)議時(shí)是必須使用的，而其他三個(gè)協(xié)議可以用TCP／IP協(xié)議簇中的協(xié)議代替。SCPS-TP在TCP協(xié)議基礎(chǔ)上,針對(duì)衛(wèi)星鏈路的高誤碼率、長(zhǎng)傳輸時(shí)延、非對(duì)稱(chēng)帶寬和間歇性連接等特點(diǎn)，分別作相應(yīng)修改和擴(kuò)展，主要是：采用SNACK與報(bào)頭壓縮技術(shù)來(lái)減小誤碼率；增大TCP擁塞窗口，以適應(yīng)衛(wèi)星通信中時(shí)延大的要求；數(shù)據(jù)速率控制功能，防止出現(xiàn)擁塞；可選擇的多種擁塞控制機(jī)制；往返時(shí)延測(cè)量等功能。通過(guò)這些修改和擴(kuò)充，最大限度地提高鏈路的傳輸效率，很好地解決了衛(wèi)星通信中誤碼率高、延時(shí)大、前向和反向鏈路差異大等問(wèn)題，從而為空間通信網(wǎng)絡(luò)提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸，以適應(yīng)當(dāng)前和未來(lái)的空間任務(wù)需求。

1.2 SNACK機(jī)制

SCPS-TP的SNACK(Selective Negative Acknow ledgm en t)機(jī)制是從SACK(Selective A ck now led gm en t)和NAK(N ega tiv e A cknow ledgm en t)機(jī)制的思想發(fā)展而來(lái)的，既可提高帶寬利用率又可提高丟包恢復(fù)能力。SNACK允許接收端通知發(fā)送端有關(guān)接收端亂序隊(duì)列中多個(gè)缺失數(shù)據(jù)段的信息，可以對(duì)接收端緩存中的多個(gè)缺失數(shù)據(jù)段進(jìn)行標(biāo)志。通過(guò)快速地提供更多的有關(guān)丟失數(shù)據(jù)段的信息，SNACK能夠加快數(shù)據(jù)恢復(fù)的速度、避免發(fā)端窗口受限，允許在等待獲知丟失數(shù)據(jù)段信息時(shí)耗盡管道容量。出現(xiàn)丟包時(shí)持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的能力是極其重要的，尤其當(dāng)丟包是由誤碼而非擁塞引起時(shí)。當(dāng)確知使用擁塞控制處理丟包時(shí)，SNACK可保持通信管道容量工作在飽和狀態(tài)下，并允許在丟包恢復(fù)過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸能夠持續(xù)工作在滿(mǎn)負(fù)荷的瓶頸狀態(tài)下。

SNACK是一個(gè)否定性確認(rèn)機(jī)制，能夠在高比特率的情況下確認(rèn)較大數(shù)量的數(shù)據(jù)包。SNACK選項(xiàng)長(zhǎng)度可變，包括5個(gè)數(shù)據(jù)域：標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議定義的類(lèi)型域、長(zhǎng)度域（不采用位向量的時(shí)候?yàn)? bit），強(qiáng)制定義的錯(cuò)誤偏移量域、長(zhǎng)度域（域長(zhǎng)度均為16b it），可選的可變長(zhǎng)位向量。偏移量指示了接收端數(shù)據(jù)隊(duì)列中的第一處錯(cuò)誤與已確認(rèn)接收到的信息間的偏移量，單位為M SS（M ax im um Segm en t Size，最大分段大?。?；長(zhǎng)度域描述了該缺失數(shù)據(jù)包（并不一定是收端緩沖區(qū)存儲(chǔ)的第一個(gè)數(shù)據(jù)包）的大小，單位是MSS；位向量包含了其余已檢測(cè)出的存在于接收隊(duì)列中的錯(cuò)誤，位向量由0和1組成，0表示對(duì)應(yīng)位置上一個(gè)M SS長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊丟失，1表示成功接收，如果不足整字節(jié)，在最后一個(gè)1之后補(bǔ)0補(bǔ)足八位。

圖1左是接收端的數(shù)據(jù)隊(duì)列，共存在三處錯(cuò)誤。第一處錯(cuò)誤在成功接收到第一個(gè)數(shù)據(jù)段后馬上就發(fā)生了，因此偏移量為0，并占用2個(gè)MSS。依據(jù)SNACK選項(xiàng)數(shù)據(jù)段要求，此處采用位向量，則由數(shù)據(jù)接收端產(chǎn)生的SNACK數(shù)據(jù)段將如圖1右所示。

圖1 TCP接收端數(shù)據(jù)隊(duì)列及其生成的SNACK數(shù)據(jù)段

當(dāng)存在亂序隊(duì)列時(shí)，數(shù)據(jù)接收端掃描接收緩沖區(qū)，建立SNACK選項(xiàng)并通過(guò)ACK數(shù)據(jù)段發(fā)送出去。基于接收的SNACK選項(xiàng)，數(shù)據(jù)發(fā)送端會(huì)立即重傳所必需的數(shù)據(jù)段來(lái)填充被標(biāo)記的缺失數(shù)據(jù)包。由于SNACK選項(xiàng)可觸發(fā)重傳機(jī)制，因此就可以不依賴(lài)于快速重傳算法來(lái)探測(cè)丟包現(xiàn)象。

2 NS2仿真及結(jié)果分析

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

NS2是目前較為廣泛使用的一種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，支持多種版本的TCP協(xié)議，而且方便擴(kuò)展。本文使用NS2軟件建立了SCPSTP協(xié)議仿真模型，選擇了時(shí)延比較長(zhǎng)，距地大約35800km的GEO衛(wèi)星進(jìn)行鏈路利用率仿真，比較SNACK與SACK在不同誤碼環(huán)境下的吞吐量和鏈路利用率。仿真參數(shù)如表1所示。

2.2 結(jié)果和分析

SNACK與SACK在不同誤碼率下的吞吐量和鏈路利用率的對(duì)比結(jié)果分別如圖2和圖3所示，仿真時(shí)間為550s。

表1

圖2 不同誤碼率下的平均吞吐量比較

圖3 不同誤碼率下的鏈路利用率比較

長(zhǎng)時(shí)延和高誤碼率，是低吞吐量的主要原因。衛(wèi)星信道隨著誤碼率的增加，吞吐量隨之減弱，當(dāng)BER達(dá)到10-5時(shí)，表現(xiàn)得更為突出。由圖2和圖3可以看出，高誤碼率情況下，SNACK機(jī)制相比SACK機(jī)制能取得更好的吞吐量性能和鏈路利用率。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，在不同誤碼率情況下，SNACK在寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的性能表現(xiàn)要優(yōu)于SACK，可避免短時(shí)間內(nèi)由誤碼造成的TCP性能下降。

[1] 陳明玉，程子敬. SCPS-TP協(xié)議在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.電子設(shè)計(jì)工程.Vo1.18,No.8：1-3

[2] 張潤(rùn)彤，樊寧，張偉軍. LEO衛(wèi)星環(huán)境下的SNACKTCP性能分析.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào).Vo1.30,No.2：297-304

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.064