CN101656750A - 一种适合空间通信网络的tcp分裂连接方法 - Google Patents

一种适合空间通信网络的tcp分裂连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适合空间通信网络的TCP分裂连接方法，它先由终端用户1向终端用户2发出连接请求SYN1，并由网关A转发至网关B；网关B再将请求SYN1转发至终端用户2；终端用户2接收到请求SYN1后，向终端用户1发出确认ACK_SYN1，并通过网关B将确认ACK_SYN1转发至网关A；然后网关A将确认ACK_SYN1转发至终端用户1；终端用户1收到确认ACK_SYN1后将确认信号ACK1发给终端用户2。本发明在地面关口站实现TCP分裂，有效降低了网络拥塞，提高了空间通信网络吞吐量，适用于异构通信环境如无线传感网络、自组织网络等，在航天、航空、军事及社会经济等领域具有较好的转化应用前景。

Description

一种适合空间通信网络的TCP分裂连接方法
技术领域
本发明涉及一种通信网络的连接机制，特别是一种适合空间通信网络的TCP分裂连接方法。
背景技术
长期以来，经典的TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)协议广泛应用于网络和计算机通信等领域中，其主要的特点是数据传输可靠性很高。TCP协议提供的数据传输可靠性是建立在两种可靠性技术之上，一种技术是面向连接机制，即在进行实际数据传输前必须在信源端与信宿端建立一条连接。假如由于种种原因连接建立不成功，则信源端不会贸然向信宿端发送数据；其次，向连接传输的每个报文都需要收端确认，未确认报文被认为是出错报文。另一种技术是确认与超时重传，流量控制。假如没有流量控制，可能因接收缓冲区溢出而丢失大量数据，导致许多重传。TCP采用可变窗口进行流量控制，此外，TCP还要进行拥塞控制。由上可见，TCP连接对于实现数据传输的可靠性至关重要。但是，经典TCP协议采取的确认与超时重传，流量控制只适用于地面通信链路，对于传输时延大、误码高的空间(卫星)通信链路并不适用。其原因是，如果采用经典的TCP协议，空间(卫星)通信链路传输时延大、误码高的特性将导致空间(卫星)网络吞吐量下降，拥塞明显。为此，针对空间(卫星)通信链路传输时延大、误码高的特性，许多空间组织提出了自己的传输控制协议，如空间数据系统咨询委员会的CCSDS-TP(Consultative Committee for SpaceData System，Transmission Protocol)和欧空局(ESA)STP(Satellite TransmissionProtocol)协议。但由于通信中间各环节对于通信源、宿两端来说必须是透明的，因此，要有效提高空间(卫星)通信网络吞吐量，必须首先要建立地面段TCP协议和空间段控制协议的连接。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种适合空间通信网络的TCP分裂连接方法。该方法在地面段网络采用适合地面通信链路的TCP协议，空间段网络采用CCSDS TP协议或STP协议，即在地面关口站实现TCP分裂，可有效降低网络拥塞、提高网络吞吐量。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案：一种适合空间通信网络的TCP分裂连接方法。包括一个端到端的连接和三个子连接，具体步骤如下，
a)终端用户1向终端用户2发出连接请求SYN1；
b)请求SYN1达到网关A后，网关A将请求SYN1转发至网关B；
c)网关B将请求SYN1转发至终端用户2；
d)终端用户2接收到请求SYN1后，终端用户2向终端用户1发出确认ACK_SYN1，确认已收到连接请求SYN1，并将打开连接；
e)确认ACK_SYN1到达网关B后，网关B打开与终端用户2的子连接，并将确认ACK_SYN1转发至网关A；
f)网关A收到确认ACK_SYN1后，打开与网关B的子连接，并将确认ACK_SYN1转发至终端用户1；
g)终端用户1收到确认ACK_SYN1后，终端用户1打开与网关A的子连接，并将确认信号ACK1发给终端用户2。
上述的适合空间通信网络的TCP分裂连接方法中，步骤f)中网关A与网关B的子连接是采用SCPS-TP协议。
前述的适合空间通信网络的TCP分裂连接方法中，步骤g)中终端用户1与网关A的子连接是采用TCP协议。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明在地面段网络采用适合地面通信链路的TCP协议，在空间段网络采用CCSDS-TP协议或STP协议，即在地面关口站实现TCP分裂，建立了地面段TCP协议和空间段控制协议的连接，有效降低了网络拥塞，提高了空间(卫星)通信网络吞吐量，本发明提出的TCP分裂连接机制适用于异构通信环境，如无线传感网络、自组织网络(ad-hoc)等，在航天、航空、军事及社会经济等领域具有较好的转化应用前景。
附图说明
图1是本发明的连接过程示意图；
图2是本发明的空间(卫星)通信环境示意图；
图3是空间(卫星)通信情景示意图。
本发明的TCP分裂原理如下：考虑如图3这样一种空间(卫星)通信情景，地面段通信链路误码率为p1，往返时间为RTT1；空间段通信链路误码率为p2，往返时间为RTT2。通常p2～p1，RTT2＞RTT1。这样，按照TCP传输吞吐量计算公式，地面段和空间段网络吞吐量分别满足式(1)和式(2)：
Thp 1 ~ MSS RTT 1 p 1 - - - ( 1 )
Thp 2 ~ MSS RTT 2 p 2 - - - ( 2 )
上两式中，RTT1、RTT2分别是地面段和空间段网络吞吐量，MSS是传输的最大报文长度。同时，由于地面段和空间段通信链路相互独立，这样，整个链路的传输误码率为：
p＝p1+p2-p1p2
                               (3)
考虑到通常p2～p1，则p1p2＜＜p1+p2，这样可得无TCP分裂时，整个通信链路的吞吐量满足下式
Thp ~ MSS ( RTT 1 + RTT 2 ) p 1 + p 2 - - - ( 4 )
而采用TCP分裂时，整个链路的吞吐量满足下式：
Thp eff = min ( MSS RTT 1 p 1 , MSS RTT 2 p 2 ) > MSS ( RTT 1 + RTT 2 ) p 1 + p 2 - - - ( 5 )
式(5)证明了TCP分裂网络吞吐量的改进。
本发明的计算机仿真结果如下：仿真工具采用OPNET Modeler 10.0A，对应于图2的空间(卫星)通信环境。仿真参照RFC 1122和RFC 2988规范，分析卫星链路不同误码率条件下的连接次数。由于仿真针对传输层(采用STP协议)，因此，链路层则遵循CCSDS-AOS的相关规定。同时设置传输码速率为1Mbps，采用BPSK调制。表1给出了卫星链路不同误码率条件下重传次数。
表1卫星链路不同误码率条件下重传次数
  误码率   信噪比(dB)   平均重传次数   最大重传次数
  1.3×10-3   5   235   255
  1.2×10-3   6   14   98
  7.0×10-4   7   2.3   22
  2.0×10-4   8   0.3   6
  2.0×10-5   9   0.03   2
表1表明，当信噪比大于9dB，即卫星链路误码率小于2.0×10-5时，连接最大重传次数为2，平均重传次数为0.03。就是说，当信噪比大于9dB，即卫星链路误码率小于2.0×10-5时，可以保证连接的可靠性，而目前卫星链路误码率都能保证小于2.0×10-5，这说明本发明的这种TCP分裂连接机制完全适合空间通信网络。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1。考虑如图2所示的空间(卫星)通信环境，本发明的类“三次握手”连接机制如图1所示。包括一个端到端的连接和三个子连接，为在用户间建立端到端的连接，终端用户1需要启动和终端用户2的三次握手(图1中实线)。首先，终端用户1向终端用户2发出连接请求SYN1，当请求SYN1达到网关A后，网关A将请求SYN1转发至网关B，接着网关B将请求SYN1转发至终端用户2；当终端用户2接收到请求SYN1后，终端用户2向终端用户1发出确认ACK_SYN1，确认已收到连接请求SYN1，并将打开连接；当确认ACK_SYN1到达网关B后，网关B即打开与终端用户2的子连接(如图1中虚线a所示)，之后网关B将确认ACK_SYN1转发至网关A；当网关A收到确认ACK_SYN1后，即打开与网关B的子连接(采用SCPS-TP协议，如图1中虚线b所示)，之后网关A将确认ACK_SYN1转发至终端用户1；最后当终端用户1收到确认ACK_SYN1后，终端用户1打开与网关A的子连接(采用TCP协议，如图1中虚线c所示)，之后终端用户1将确认信号ACK1发给终端用户2。其中的SCPS-TP协议是空间通信传输协议。在卫星链路中，在连接期间，如果由于误码造成SYN1或ACK_SYN1连接信息丢失，网关不负责重传，而是由主机重传这些连接信息。这个期间，网关只重传建立SCPS-TP子连接的连接信息。超时重传机制可采用RFC1122和RFC2988技术规范(由于卫星运行轨道可以确定，RTO值可预先确定，从而进一步提高了传输的可靠性)，可流量控制则采用SCPS-TP提供的各种策略。
本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适合空间通信网络的TCP分裂连接方法，包括一个端到端的连接和三个子连接，其特征在于：具体步骤如下，
a)终端用户1向终端用户2发出连接请求SYN1；
b)请求SYN1达到网关A后，网关A将请求SYN1转发至网关B；
c)网关B将请求SYN1转发至终端用户2；
d)终端用户2接收到请求SYN1后，终端用户2向终端用户1发出确认ACK_SYN1，确认已收到连接请求SYN1，并将打开连接；
e)确认ACK_SYN1到达网关B后，网关B打开与终端用户2的子连接，并将确认ACK_SYN1转发至网关A；
f)网关A收到确认ACK_SYN1后，打开与网关B的子连接，并将确认ACK_SYN1转发至终端用户1；
g)终端用户1收到确认ACK_SYN1后，终端用户1打开与网关A的子连接，并将确认信号ACK1发给终端用户2。
2.根据权利要求1所述的适合空间通信网络的TCP分裂连接方法，其特征在于：步骤f)中网关A与网关B的子连接是采用SCPS-TP协议。
3.根据权利要求1所述的适合空间通信网络的TCP分裂连接方法，其特征在于：步骤g)中终端用户1与网关A的子连接是采用TCP协议。
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