衛星通信中TCP協議分析改進方法研究

2019-11-03 09:04:57

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供稿：網友

電子工程學院網絡工程教研室　唐云　單洪

　　摘要：因特網的應用中廣泛地使用著ＴＣＰ／ＩＰ協議，如簡單電子郵件協議（ＳＭＴＰ）、超文本傳輸協議（ＨＴＴＰ）、文件傳輸協議（ＦＴＰ）等。ＴＣＰ協議在有線網絡中工作得是很好的，但是在衛星通信中卻不能很好的利用它的帶寬。傳輸的長延時、接收窗口的大小、網絡中的擁塞等都成為衛星通信中的突出問題，為此本文提出了衛星通信中對ＴＣＰ協議進行改進的方法。

　?。?引言

　　ＴＣＰＩＰ是目前進行網絡數據傳輸時使用的主要協議族。該協議族中，ＴＣＰ和ＩＰ是核心，同時還包括一些其它協議。ＴＣＰ和ＩＰ協議分別控制著數據在互聯網上的傳輸和路由選擇。ＩＰ是一個為廣域網設計的無連接網絡層協議，它被設計為網間互聯協議，ＩＰ數據報可在幾乎任何鏈路層協議上的網關（或路由器）間傳遞。從本質上說，ＩＰ無非是指導網絡上的數據包從發方計算機送達收方計算機，而ＴＣＰ則負責確保數據在設備之間進行端到端的可靠交付。從這個意義上說，衛星鏈路對ＴＣＰＩＰ數據傳輸的影響主要體現在ＴＣＰ層。

　?。玻裕茫袇f議概述

　　ＴＣＰ協議主要是通過積極的確認機制來傳送數據。每一個數據段都包含了一個序號用來確定數據段在傳輸中的位置，這個序號由每個數據段的第一個字節在傳送中的相對位置決定。比如，假設一個ＴＣＰ發端將發送一批數據，每段大小為１００字節，若第一段的序號定為Ｘ，則第二段的序號將為Ｘ＋１００，以后各段依次類推（為了介紹方便，本文將不用標準的８比特數字來表示段的序號，而直接采用一般的數字）。接收端在收到數據后便可依據這些序號來重組數據，恢復成完整的信號。此外，收端在每收到一個數據段后便會向發端發一個確認信號ＡＣＫ這個確認信號包含了下一個需接收數據段的序號。

　?。裕茫惺且粋€滑動窗口協議。這種滑動窗口協議使發端可連續地發送一定數量的數據。發送數據時，當發端收到了收端的確認信號（ＡＣＫ）后，窗口便相應地向后滑動，以便能傳送更多的數據段。每一個ＴＣＰ段（數據段或是ＡＣＫ）在其首部都許諾了一個窗口值，它的大小收到的數據段發送確認應答。

　　由收端確定，是來自收端的流量控制，它限定了發端滑動窗口的最大值。標準的ＴＣＰ所能許諾的最大窗口是６５５３５字節，因為在它的ＴＣＰ頭中只有１６個比特用來定量窗口大小。

　　ＴＣＰ應用了一系列的擁塞控制算法來解決擁塞問題。由于網絡的容量有限，如果ＴＣＰ發端傳輸數據速率過高，那么網絡中的路由器就會來不及處理這些數據段，數據段便擁塞在路由器處，若這些路由器又沒有緩沖能力或緩沖能力有限，便會造成擁塞在路由器處數據段的丟失。當很多條通路都以高的速率向網絡中注入數據時，若沒有解決擁塞的辦法，大量注入網絡中的數據就會擁塞在路由器附近，導致數據丟失，不能到達目的地，從而引起發端不斷地重發，這樣就造成越來越多的數據注入到網絡，卻得不到正確的處理，網絡擁塞進一步惡化。ＴＣＰ的擁塞控制協議主要有四種，慢啟動、擁塞避免、快速重發和快速恢復。下面簡單地介紹一下這些算法。

　?。玻眴雍蛽砣苊?br>
　　通過運行慢速啟動和擁塞避免算法，ＴＣＰ能在不產生路由擁塞的前提下提高數據傳輸速率。ＴＣＰ發端采用一個可變的擁塞窗口（發端的滑動窗口），窗口大小不超過收端的通知窗口，ＴＣＰ不允許向網絡中注入多于窗口大小的未經確認的數據。

　　慢速啟動通過增加發端窗口大小逐漸地增加數據注入量，當連接建立時或是網絡中檢測到擁塞時，此算法初始化擁塞窗口為一個數據段大小，每收到一個來自收端的確認后，擁塞窗口大小便增加一個段值的大小，這樣傳輸速率便逐漸增加。當窗口值達到慢速啟動門限或是擁塞再一次被檢測到時，慢速啟動便停止工作。在連接建立時慢速啟動門限被初始化為收端通知窗口值的大小。對于任何一個數據段，一旦超過了ＴＣＰ的重發時間（ＲＴＯ），ＴＣＰ便重發這個數據段，并認為網絡發生了擁塞，這時慢速啟動的門限降為擁塞窗口值的一半，擁塞窗口值置為一個段值大小，慢速啟動算法開始工作，直到再次超過新的慢速門限或是再次檢測到擁塞為止。

　　擁塞避免在慢速啟動工作完后開始生效。在這個過程中，擁塞窗口（Ｃｗｉｎｄ）的大小以十分緩慢的速度增長，每收到一個確認應答（ＡＣＫ）窗口值便增加１Ｃｗｉｎｄ（除非它的大小已經超過了收端通知窗口的大?。?，每一個往返時延（ＲＴＴ）大約增加一個段值大小。

　　２．２快速重發和快速恢復

　　通過快速重發和快速恢復機制，ＴＣＰ能比依靠重發時間（ＲＴＯ）檢測方法更有效地檢測并恢復丟失的數據。ＲＴＯ等于（往返時延）ＲＴＴ加上一些變量，如果發端在重發時間內未收到確認應答，便重發數據段，如果ＴＣＰ的計時器間隔不大于ＲＴＯ的話，這種體制運行得是很好的，若大于則難于引發這個重發機制（如在許多有線網絡中，ＲＴＴ小于５００ｍｓ，而ＢＳＤＵｎｉｘ操作系統計時器的時間間隔為５００ｍｓ）。

　　快速重發在重發時間前重發數據段。當數據段沒有按順序到達收端時，ＴＣＰ便發送復制的ＡＣＫ，收端若收到３個這樣的復制ＡＣＫ，ＴＣＰ便認為數據已經丟失并重發相應的數據段，并且，ＴＣＰ判定此時發生了網絡擁塞并且降低發送速率。當運行快速重發機制重發數據段時，快速恢復算法也開始啟動。擁塞窗口值降為以前的一半大小，慢速啟動門限也被設置為此值。發端每收到一個確認應答便認為對應的數據段收端已收到，而不在網絡中，鑒于此，ＴＣＰ判定網絡還能容納更多的數據段，于是擁塞窗口增加一個數據段值大小，發送速率因此得到提高，如果收到了一個不是復制的ＡＣＫ，ＴＣＰ便減去這些因快速恢復增加的值（即回到慢速啟動門限值），隨后，開始提到的擁塞避免算法開始運行。

　?。常l星通信中使用ＴＣＰ存在的問題

　?。裕茫惺牵裕茫小NＩＰ中的用于可靠數據傳輸的傳輸控制協議，ＴＣＰ要求反饋以確認數據接收成功。衛星信道的一些固有特性（如較大延遲、較高比特差錯率和帶寬不對稱等）對通過衛星鏈路進行ＴＣＰＩＰ傳輸有一定的負面影響，如過長的ＴＣＰ超時和重傳引起較大的帶寬浪費，此外還要考慮衛星環境下的一些ＴＣＰ特性，如窗口較小，往返定時器不精確，以及啟動窗口等問題。但其影響主要體現在通信流量（擁塞）控制和協議帶寬效率這兩方面，因此衛星通信中的ＴＩＰＩＰ傳輸研究也應主要集中在這兩方面。

　?。常?擁塞避免

　　假定一條信道的擁塞窗口為１２８個數據段大小，當檢測到擁塞時降為６４個數據段大小，若用擁塞避免算法，每一往返時間（ＲＴＴ）大約增加一個數據段大小，將需要５．１２秒達到１２８個數據段大小，這對帶寬的利用是很低效的。

　?。常?慢速啟動

　?。裕茫?為完成對數據的確認使用了滑動窗口機制，為避免擁塞采用了稱為“慢啟動”的策略。發方對丟失或損壞數據的重發，要求保留數據副本直至收到數據確認（ＡＣＫ）。為避免大量可能丟失的數據副本占用大量存儲器并浪費帶寬，ＴＣＰ采用了一個滑動窗口機制來限制傳輸中的數據數量。隨著確認的返回，ＴＣＰ在前移窗口的同時，發送不斷增加的數據。一旦窗口被占滿，發方必須停止傳輸數據直至更多的確認幀到達。

　　雖然ＴＣＰ能發現數據沒有送達，但重新發送會進一步加劇信道的擁塞，從而進一步導致數據丟失。為避免網絡因擁塞而癱瘓，ＴＣＰ只能降低傳輸速率以對數據丟失做出反應。但是從算法上講，ＴＣＰ每次進行新的連接都必須從最低的傳輸速率啟動，ＴＣＰ用返回的ＡＣＫ來指示提高速率，這是一個較慢的線性增加的過程。這就是所說的“慢啟動”，即發送窗口依每次往返時間遞增，以提高傳輸速率和網絡吞吐量。

　　據測量，ＮＡＳＡ（美國國家宇航局）ＡＣＴＳ衛星的往返時延（ＲＴＴ）是５６０ｍｓ，陸地網絡中，從俄亥俄大學到加利福尼亞大學的往返時延是８０ｍｓ，通過下面的公式：

　　慢速啟動時間＝（ＲＴＴ）×１ｏｇ２（Ｗ）Ｗ為最大窗口

　　假定窗口大小分別為５１２字節和１２８字節，我們可知在衛星網絡中需要很長的時間（３．９２秒）來達到峰值傳輸速率，陸地網絡中需要５６０ｍｓ，顯然對于衛星網絡來說帶寬利用率是很低的。

　　３．３信道吞吐量

　　對于衛星ＴＣＰＩＰ數據傳輸，由于延遲時間過長，正常ＴＣＰ中滑動窗口的大小限制了衛星鏈路的最高吞吐量；同樣，由于ＡＣＫ從衛星網絡中返回得十分緩慢，ＴＣＰ達到全速時需要一個較長的提速時間，即使對于一個較小的數據連接也是如此。

　　許多可調整的參數可用于增強ＴＣＰ的性能，包括數據段、定時器和窗口的大小。ＴＣＰ實現中含有大量擁塞避免算法，如慢啟動、選擇重傳和選擇確認，它通常能改進像Ｉｎｔｅｒｎｅｔ這樣的共享網絡的性能。但在許多擁塞控制算法，特別是慢啟動中，當中等數量數據正在一個具有較大帶寬延遲特性的鏈路上傳輸時，會產生端到端通信的低效帶寬利用問題。對此需要有相應的解決辦法。

　　這里我們假定信道最大吞吐量為１．５３６ＭｂｉｔＳ，使用最大的接收窗口６５５３５字節，ＲＴＴ為５６０ｍｓ，它的最大吞吐量＝６４Ｋ×８５６０＝０．９４ＭｂｉｔＳ，可知沒有完全應用衛星的信道帶寬。

　?。矗l星網絡中ＴＣＰ效率的改善

　?。保谛l星信關站采用特殊的方法來提高ＴＣＰ效率

ＴＣＰ協議采用的是端到端控制方式。將擁塞控制放在擁塞發生的衛星信關站會取得更好的效果。嚴格說，在信關站采取的策略不屬于ＴＣＰ協議。由于信關站對擁塞控制具有直接性，因此對網絡傳輸具有比較好的改進效果，主要的方法包括：

　?。ǎ保╇S機及早監測

　　當信關站緩存區長度超過門限時，數據就會按照一定的概率丟失，這是信關站及早地通知發端降低發送速率，以免過多地向網絡中注入數據。

　?。ǎ玻┟鞔_擁塞指示

　　信關站向源端發出明確的擁塞指示，源端據此指示減少擁塞窗口和慢啟動門限。

　　（３）ＴＣＰ欺騙法

　　在確認信息尚未到達時，信關站作為虛擬的目的節點向源端發送確認信息使得源端可以繼續發送下一數據包，同時信關站又作為虛擬的源端向真正的目的端發送數據，這樣對源端可以減少確認信息的往返時延，從而提高源端的發送速率。這種方法僅適用于鏈路質量非常好的網絡，對鏈路質量差、網絡和安全性要求高的業務都不適用。

　?。ǎ矗┭訒r確認

　　延時確認是當網絡擁塞時信關站通過對返回的確認信號進行延時，源端在收不到確認信號時就會減小發送速率，以此減緩擁塞的發生。此方法在擁塞不嚴重時效果明顯，但在擁塞嚴重時效果不很明顯。

　?。玻覀兛梢圆捎枚鄺lＴＣＰ連接，從而更加充分地利用信道帶寬。慢啟動時每次發送Ｎ個數據段，其效率大于僅發送一個數據段，同樣在擁塞避免時也能更快地實現。

　?。常哟蟪跏蓟翱?br>
　　針對初始化窗口為１，在信道連接時信道利用太低的緣故可適量的加大初始化窗口。

　　初始窗口＝ｍｉｎ４×ＭＳＳ，ｍａｘ（２×ＭＳＳ，４３８０）

　　其中：ＭＳＳ代表收發雙方允許的最大數據包長。按照這種方法，在慢啟動算法中所需要的最大接收窗口恢復時間可以縮短為：

　　慢速啟動時間＝ＲＴＴｌｏｇ２Ｗａ－Ｒｌｏｇ２Ｗｉ

　　其中：Ｗａ為最大允許接收窗口，Ｗｉ為初始窗口。

　?。矗x擇性確認

　　在數據傳送過程中接收方不需要對發送方的每個數據段都進行確認，在確認信息中告知發送方已經正確接收到的數據包，發送方只需重發出錯包，這就避免了不必要的數據重傳。

　?。裕茫薪酉聛淼囊粋€主要缺點是它易受多個丟失的影響，造成失去其″自計數″屬性和超時。在長延遲網絡中，阻止不必要的窗口減小并僅重發受損丟失分組，有助于提高帶寬利用率，如ＩＴＵ－Ｔ為衛星制定的ＳＳＣＯＰ協議。這類協議稱為選擇性確認（ＴＣＰＳＡＣＫ），對ＴＣＰ協議提出了明顯的改進。ＴＣＰＳＡＣＫ是一個數據發現算法，其中接收方能夠有選擇地示意哪個數據塊（數據段）沒有收到。這允許接收方僅精確地重傳這些遺漏的分組，從而有效地減少了不必要的重傳。

　　研究表明ＴＣＰＳＡＣＫ適合于具有中等丟失率（低于窗口大小的５０％）的長延遲網絡環境以及對于線路丟失率較嚴重的網絡，在ＳＡＣＫ基礎上改進的前向ＡＣＫ建議比較適合。前向ＡＣＫ進一步地結合了擁塞控制以及數據發現算法，盡管對于高噪聲衛星環境還有待進一步研究，但前向ＡＣＫ有望提供較高的性能增益。

　　５．慢速啟動門限評估

　　當ＴＣＰ運用多條連接進行數據傳送時便容易引起數據的丟失，如果我們能在數據丟失前終止慢速啟動就可以避免這種數據丟失了。根據公式：

　　窗口大?。剑ǎ猓幔睿洌鳎椋洌簦瑁粒ǎ遥裕裕?br>
　　在知道了往返時間（ＲＴＴ）后，只要能評估出可使用的帶寬，窗口大小便可確定了，這時就可以決定慢速啟動算法在什么時候將停止。

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　　增大初始窗口雖然使得窗口恢復時間縮短了，但是并沒有改變慢啟動算法和擁塞避免算法結合的擁塞控制機制。將快速重傳和快速恢復配合使用，就是為改進擁塞避免和慢速啟動算法而提出的。當源端收到３個相同的確認信息時就判定發生擁塞，立即進行重發，同時將窗口減半，慢啟動門限設置為減小后的窗口大小，擁塞控制窗口比慢啟動門限大３。當源端收到一個新的確認信息后，將擁塞窗口的大小設置為慢啟動門限，同時轉入擁塞避免。快速重傳和快速恢復可以避免單純利用超時重發引起的系統性能下降。

　?。担Y論

　　本文對衛星通信的ＴＣＰ協議進行了詳細的討論，并對ＴＣＰ體制中存在的問題和一些解決方法進行了分析。這些應用型的結論將能更加好的利用衛星通信的信道帶寬，高效地提供網絡服務，但這些結論只是在原有的基礎上的改進，并不是十分完美，如快速重傳和快速恢復協議在擁塞恢復后發送速率的增長呈線性增加，還有些算法只是針對特定的情況有效，這些都需要進一步地研究與改進。

----《通信世界報》