CN101854738A - 一种用于卫星网络的传输控制协议方法 - Google Patents

Abstract

一种用于卫星网络的传输控制协议方法是一种在卫星网络传输层中进行数据传输的控制方法，用来在网络中进行传输的流量控制和差错控制，实现数据的高效传输，该方法主要针对拥塞控制中的拥塞避免进行改进，用二分增长来探测最佳发送窗口，然后通过计算当前网络中正在传输的数据包个数这种预测方法来进行拥塞误码的区分，从而有效地解决了高误码率的问题。同时采用了SACK选择性确认机制，丢包时尽可能只重传丢弃的分组，减小了高误码率下发送的一次窗口数据出现多个分组丢弃的可能性，提高了网络利用率。本发明用在高误码率大时延的卫星网络中，可以实现数据的高效传输。

Description

一种用于卫星网络的传输控制协议方法

技术领域

本发明属于计算机网络和卫星信道传输技术领域，涉及一种适合卫星网络的TCP(Transmission Control Protocol)传输控制方法，主要用于解决卫星通信数据传输，以提高传输数据的效率，减少系统开销和网络延迟。

背景技术

随着互联网的迅速发展以及信息全球化的加快，多媒体技术、通讯技术获得了巨大发展。与此同时，各种新的业务需求如远程教育、电视会议、远程医疗的产生对网络又提出了新的要求，现有的地面网络已不能完全满足用户的需求。交互的、高速的、和因特网相结合的新一代卫星通信网络很好的解决了这些问题。卫星通信的面积广、通信费用与距离无关、不受地面自然灾害影响等固有的优点，很好的适应了当前迅猛发展的互联网业务需求，同时这也使得对卫星网络协议的研究成为当前的研究热点。

应用需求的不断变化给互联网技术提出了巨大挑战，为了更有效地提供数据传输业务，减少与其他网络协议的接口转换，传输控制协议(Transmission ControlProtocol，TCP)在卫星通信中受到了很大的关注。其中作为TCP协议核心的拥塞控制机制，是研究的热点问题之一。网络中如果通过路由器的流量过大就会引起网络拥塞，即超过了路由器的缓冲处理能力的时候，路由器就会丢弃数据包。发生丢包后，除了重传丢失的数据包以外，TCP还会降低传输速率，以减少网络中的数据流量，使路由器有足够的时间来处理转发数据，然后TCP逐渐增加传输速率来探测网络的容量，避免拥塞再次发生。

传统的TCP应用于地面有线网络中性能很好，但是由于卫星网络所具有的大时延、高误码率、链路不对称等等与地面网络相异的特点，使得基于地面网络的TCP协议并不能很好的运用于卫星网路中。特别是地面有线网络的误码率很低，丢包都默认是链路拥塞造成的，而卫星网络误码率较高，丢包可能是由于链路误码造成的，所以地面网络中使用的TCP拥塞控制会造成卫星网络吞吐量降低，不适合卫星网络，如何提高TCP协议在卫星网络中的性能成为重要的研究课题。

当前高速TCP拥塞控制是卫星网络研究的热点，其中的TCP Westwood是代表之一。TCP Westwood算法(简称TCPW)是由UCLA大学High Performance InternetLab实验室提出的一种主要针对高误码率无线网络、卫星网络等网络的端到端的拥塞控制算法，在原有TCP Reno基础上修改而来的。它是基于带宽估计开发的，其主要思想是通过发送端不断检测ACK的到达速率来进行带宽估计(BWE)，然后当拥塞发生时，利用估计的带宽去调整窗口(cwnd)和慢启动门限(ssthresh)，有效地利用了估计带宽。拥塞控制机制为AIAD(Additive Increase adaptive Decrease，加性增加适度减小)。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有的为地面有线网络设计的TCP拥塞控制不能适应卫星网络的需要的缺点，提供一种用于卫星网络的TCP传输控制方法，从而提高卫星网络的吞吐量和公平性，减少系统开销和网络延迟。本发明提出的方法可以在NS2网络仿真器中进行仿真验证。

技术方案：为了实现本发明的目的，本发明提供了一种适合卫星网络的TCP传输控制协议方法，该方法是一种在现有TCP Westwood算法基础上改进的方法，通过改进实现了一种能够提高卫星网络传输性能的算法：TCPW-BSCD。

一、体系结构

TCPW基本的拥塞窗口动态调整算法在慢启动阶段和拥塞避免阶段都与Reno相同，没有改变，基本思想是当拥塞发生时用带宽估计值(BWE)来调整拥塞窗口和慢启动门限值，拥塞控制机制为AIAD(加性增加适度减小)。

TCPW使用最广泛的带宽估计算法如下，其带宽估计的采样尺寸如图1所示。

b_k＝d_k/(t_k-t_k-1)                取样(sample)

${\mathrm{BWE}}_k={\mathrm{\α}}_k{\mathrm{BWE}}_{k-1}+(1-{\mathrm{\α}}_k)\left(\frac{b_k+b_{k-1}}{2}\right)$ 指数滤波器(exponential filter)

${\mathrm{\α}}_k=\frac{2\mathrm{\τ}-{\mathrm{\Δt}}_k}{2\mathrm{\τ}+\mathrm{\Δ}{t}_k}$ 滤波器权值(filter gain)

其中BWE_k：t_k时刻滤波器过滤的可用估计带宽；1/τ：滤波器的中断频率；Δt_k＝t_k-t_k-1，其它参数意义同上。TCPW BE算法采用了适时变化的滤波器权值α_k，提高了带宽估计的稳定性，但是算法会过高估计网络带宽，而且当有ACK压缩发生时，带宽估计会不稳定，另外过高估计带宽使得此算法占用过多的带宽，对TCPReno不很友好。

TCPW算法原理如图2所示。本方法是在现有TCP Westwood算法基础上改进的方法。图3给出了TCPW-BSCD算法的传输控制原理图，其改进实现方法为以下三点：

1.采用二分增长的方法来快速搜索拥塞避免阶段的最佳发送窗口，代替TCPW算法中原有的线性增长。本发明用最大窗口值maxw和最小窗口值minw来控制拥塞窗口cwnd的大小，定义目标窗口tarw为tarw＝(maxw+minw)/2，用来作为下一个RTT后的拥塞窗口的值；dist为目标窗口和当前窗口的差值；阈值smax用来限制初始时窗口增长过大。当dist＞smax时，即认为目标窗口与拥塞窗口的差值过大，则在下一个RTT后，将拥塞窗口增加smax，即cwnd+＝smax；当dist＜smax时，在一个RTT之后将拥塞窗口增加dist，即cwnd+＝dist。如果未发生丢包时，令cwnd＝tarw，并将最小窗口值更新为此时的窗口大小，然后使用公式tarw＝(maxw+minw)/2重新更新目标窗口值。当发生丢包后，令丢包前的窗口大小为新的最大窗口值，并将最小窗口值更新为丢包后的窗口大小，此窗口值在改进TCPW算法中是通过带宽估计值获得的。同时使用公式tarw＝(maxw+minw)/2更新目标窗口值。重复此过程，直至最大窗口和最小窗口的差值小于一预设的阈值smin；

2.采取一种预测方案区分链路拥塞或链路误码。计算链路中正在传输的数据包的个数packets_in_flight，然后与当前拥塞窗口cwnd进行比较，如果大于当前拥塞窗口，则认为丢包是拥塞造成的，从而进入拥塞控制阶段；否则，则认为是误码等原因造成的丢包，将窗口、慢启动门限值保持不变，继续发送数据分组。消除卫星网络的无线链路高误码所引起的拥塞窗口错误变化；

3.采用SACK选择性确认机制。在丢包时尽可能只重传丢弃的分组，减小了TCPW算法在高误码率下发送的一次窗口数据出现多个分组丢弃的可能性，提高网络的利用率。

二、方法流程

现有标准的地面TCP协议采用三次握手方式建立连接，其核心拥塞控制机制一般采用四种算法实现：

①慢启动(Slow-start)：慢启动为发送方的TCP增加了拥塞窗口(congestionwindow)，记为cwnd。当TCP连接建立时，拥塞窗口被初始化为1个报文段，每返回一个ACK，拥塞窗口cwnd加1(cwnd以字节为单位，但是这里以报文段大小为单位进行增加)。发送方开始时发送一个报文段，然后等待ACK。当收到该ACK时，拥塞窗口从1增加到2，即可以发送两个报文段。当收到这两个报文段的ACK时，拥塞窗口就增加为4。就这样呈指数增加，从1迅速增加到慢启动门限。

②拥塞避免(Congestion avoidance)：当拥塞窗口cwnd大于慢启动门限ssthresh后，就采用拥塞避免机制，预防可能发生的拥塞。此时拥塞窗口增长缓慢，要求每次收到一个ACK确认时将cwnd增加1/cwnd，即在每个往返时间RTT内cwnd窗口线性增加1，这是一种加性增长(additive increase)。慢启动和拥塞避免过程如图1所示。

③快速重传(Fast retransmit)：收到3个相同的ACK，判定数据分组丢失，这时进行快速重传，把ssthresh设置为cwnd的一半，再把cwnd设置为ssthresh的值，重新进入拥塞避免阶段。

④快速恢复(Fast recover)：当收到3个重复ACK时，把ssthresh设置为cwnd的一半，把cwnd设置为ssthresh的值加3，然后重传丢失的报文段，再收到重复的ACK时，拥塞窗口增加1。当收到新的数据包的ACK时，把cwnd设置为之前的ssthresh的值，再次进入拥塞避免状态。

对于每一个TCP连接包括接收窗口rwnd，拥塞窗口cwnd以及慢启动门限ssthresh，其中接收窗口是接收端的流量控制，而拥塞窗口则是源于发送端的流量控制。一般都认为拥塞窗口大于接收窗口，即网络的拥塞限制发送窗口的大小。根据拥塞窗口增长的模式不同，整个TCP连接可以划分为慢启动和拥塞避免两个阶段。网络发生拥塞时，当发送端连续收到三个以上重复ACK确认信号则认为对应分组丢失，此时启动快速重传机制，发送端不等重传定时器超时，直接重新传送该分组。而快速恢复机制将cwnd和ssthresh都减少一半。在成功重传丢失的数据段后，进入到拥塞避免阶段。若出现多个数据丢失，cwnd和ssthresh会重复减半。其避免了拥塞窗口重新从1开始所导致的长时间慢启动阶段。

TCPW算法中，在检测到分组丢失后，根据带宽估计来确定新的窗口门限值，不像Reno那样盲目降低窗口，消除了高误码率的影响，所以在误码较多的卫星链路中TCPW能够获得较好的性能。虽然TCPW能够较好处理高误码率的影响，但是在长时延的环境中，表现较差。实验表明，随着时延的增加，TCPW的吞吐量迅速下降，波动幅度加大，在时延较小时，发生丢包后，TCPW通过处理可以及时调整窗口值来提高吞吐量，但是随着时延的增大，往返时延RTT的测量精度下降，导致性能下降。

在慢启动和拥塞避免阶段仍然采用Reno的标准窗口增加机制，但是这种机制没有考虑网络的实际可用带宽，没有区分分组丢失原因，比较盲目。本发明基于TCPW算法提出的TCPW-BSCD算法克服了以上缺点，使之能够较好的应用于卫星网络中，提高了传输性能。

本发明的具体方法流程如下：

步骤1)建立连接，进入监听状态，等待发送端的连接请求，地面网络的发送端发出TCP连接请求，通过卫星网络链路的传输到达接收端，根据三次握手的方式建立连接，

步骤2)传输数据，

步骤2.1)慢启动，当TCP连接建立，拥塞窗口被初始化为1个报文段，每返回一个确认字符ACK(ACKnowledge Character，)，拥塞窗口cwnd(congestionwindow)加1，单位是报文段；发送方开始时发送一个报文段，然后等待确认字符ACK确认，当收到该确认信号时，拥塞窗口从1增加到2，即可以发送两个报文段；当收到这两个报文段的ACK确认时，拥塞窗口就增加为4；就这样呈指数增加，从1迅速增加到慢启动门限，慢启动阶段的发送窗口的增长速率与数据往返时间RTT呈反比关系，即RTT越长，发送速率增长越慢；

步骤2.2)二分增长探测拥塞窗口，当拥塞窗口cwnd大于慢启动门限ssthresh(slow start thresh，)时，采用二分增长的方法来快速搜索该阶段的最佳发送窗口，而不是TCPW算法(TCP Westwood的简称)中原有的线性增长；用最大窗口值maxw和最小窗口值minw来控制拥塞窗口cwnd的大小，定义目标窗口tarw为tarw＝(maxw+minw)/2，用来作为下一个RTT后的拥塞窗口的值；定义dist为目标窗口和当前窗口的差值，定义阈值smax用来限制初始时窗口增长过大，当dist＞smax时，即认为目标窗口与拥塞窗口的差值过大，则在下一个RTT后，将拥塞窗口增加smax，即cwnd+＝smax；当dist＜smax时，在一个RTT之后将拥塞窗口增加dist，即cwnd+＝dist；如果未发生丢包时，令cwnd＝tarw，并将最小窗口值更新为此时的窗口大小，然后使用公式tarw＝(maxw+minw)/2重新更新目标窗口值；当发生丢包后，令丢包前的窗口大小为新的最大窗口值，并将最小窗口值更新为丢包后的窗口大小，此窗口值在改进TCPW算法中是通过带宽估计值获得的；同时使用公式tarw＝(maxw+minw)/2更新目标窗口值；重复此过程，直至最大窗口和最小窗口的差值小于一预设的阈值smin；

这种窗口增长比线性增长快，可以快速达到最佳的发送窗口值，提高传输效率；

步骤2.3)传输中，若发生timeout超时，根据体系结构中讲到的预测方案来判断是拥塞或误码造成超时，该预测方案就是计算链路中正在传输的数据包的个数packets_in_flight(当前传输链路中的数据包packets_in_flight＝snd_nxt-snd_una-left_out，其中snd_nxt为发送端下一个要发送的数据包序号，snd_una为最早的还没有被确认的数据包序号，left_out为基于SACK(Selective Acknowledgment，选择性确认)机制接收方通告给发送方没有收到的数据包数)，然后与当前拥塞窗口cwnd进行比较，若大于cwnd，则认为是网络拥塞造成的，否则认为是误码造成的，如果是拥塞造成超时，那么就重传期望的数据包，令ssthresh＝(BWE*RTTmin)/seg_size，其中BWE为TCPWestwood算法估计可用带宽，RTTmin为测得的最小RTT，seg_size为报文段的大小；cwnd＝1，然后重新回到慢启动阶段，否则各参数保持不变，继续传输接下来的数据包；

步骤2.4)若收到三个重复的ACK，表示数据包丢失，同样根据本发明提出的预测方案判断是拥塞或误码导致的丢包，如果是误码造成的，保持参数不变，继续传输数据包，如果是拥塞造成丢包，则进入第4步快速重传；

步骤2.5)快速重传：当发送端检测到三个重复ACK时，令ssthresh＝(BWE*RTTmin)/seg_size，如果cwnd＞ssthresh，则cwnd＝ssthresh，重传丢失的数据包，不需等到定时器超时，接下来进入第2步二分增长探测窗口阶段，而不是慢启动阶段；

步骤3)拆除连接：发送端发送连接结束数据包，等待对方的应答，当接收端收到连接结束TCP数据包后，返回连接拆除确认应答数据包，拆除此次连接，进入到监听状态，发送端接收到拆除应答后，拆除连接。

有益效果：本发明提供了一种适合卫星网络的TCP传输控制的新协议方法，主要用于卫星通信数据传输中，以提高传输数据的效率，减少系统开销和网络延迟。下面我们给出具体的说明。

TCPW-BSCD算法在TCP Westwood这种高速TCP拥塞控制算法的基础上，采用了二分增长的思想来快速搜索拥塞避免阶段的最佳发送窗口，此外采取了一种计算链路中正在传输的数据包的个数，然后与当前拥塞窗口进行比较的方法区分链路拥塞和传输误码从而有效解决了卫星网络的无线链路高误码所引起的拥塞窗口错误变化，可以较大幅度的提高卫星网络传输吞吐量，减小了系统开销。

附图说明

图1TCPW带宽估计(BE)取样尺寸，

图2TCPW算法慢启动和拥塞避免原理示意图，

图3TCPW-BSCD算法的具体拥塞控制原理图，

图4卫星网络拓扑图。

具体实施方式

为了方便描述，我们假定有如下应用实例：开发一个卫星网络传输系统，应用的基本要求是减小卫星网络高误码率大时延等特性对传输的影响，提高传输数据的吞吐量。

实施方案：

(1)开发人员根据需求创建实现数据传输的卫星网络，生成数据传输的各个节点；

(2)开发人员把数据的传输分解成由网络的各个功能层分别来完成；

(3)开发人员根据卫星网络特点设计传输层的传输控制协议的算法；

(4)开发人员把传输控制协议具体算法在传输系统的各个节点中实现。

本发明的特点是其可以在开放源代码的Linux操作系统中实现，在开放源代码的NS2网络仿真软件中仿真验证，具体方法流程如下：

步骤(1)建立连接

进入监听状态，等待发送端的连接请求。地面网络的发送端发出TCP连接请求，通过卫星网络链路的传输到达接收端，根据三次握手的方式建立连接。

步骤(2)传输数据

步骤(2.1)慢启动(Slow-start)

当TCP连接建立，拥塞窗口被初始化为1个报文段，每返回一个ACK确认信号，拥塞窗口cwnd加1(cwnd以字节为单位，但是这里以报文段大小为单位进行增加)。发送方开始时发送一个报文段，然后等待ACK确认。当收到该确认信号时，拥塞窗口从1增加到2，即可以发送两个报文段。当收到这两个报文段的ACK确认时，拥塞窗口就增加为4。就这样呈指数增加，从1迅速增加到慢启动门限。慢启动阶段的发送窗口的增长速率与数据往返时间(RTT)呈反比关系，即RTT越长，发送速率增长越慢。

步骤(2.2)二分增长探测拥塞窗口

当拥塞窗口cwnd大于ssthresh时，采用二分增长的方法来快速搜索该阶段的最佳发送窗口，而不是TCPW算法中原有的线性增长。用最大窗口值maxw和最小窗口值minw来控制拥塞窗口cwnd的大小，定义目标窗口tarw为tarw＝(maxw+minw)/2，用来作为下一个RTT后的拥塞窗口的值。定义dist为目标窗口和当前窗口的差值，定义阈值smax用来限制初始时窗口增长过大，当dist＞smax时，即认为目标窗口与拥塞窗口的差值过大，则在下一个RTT后，将拥塞窗口增加smax，即cwnd+＝smax；当dist＜smax时，在一个RTT之后将拥塞窗口增加dist，即cwnd+＝dist。如果未发生丢包时，令cwnd＝tarw，并将最小窗口值更新为此时的窗口大小，然后使用公式tarw＝(maxw+minw)/2重新更新目标窗口值。当发生丢包后，令丢包前的窗口大小为新的最大窗口值，并将最小窗口值更新为丢包后的窗口大小，此窗口值在改进TCPW算法中是通过带宽估计值获得的。同时使用公式tarw＝(maxw+minw)/2更新目标窗口值。重复此过程，直至最大窗口和最小窗口的差值小于一预设的阈值smin；

这种窗口增长比线性增长快，可以快速达到最佳的发送窗口值，提高传输效率。

步骤(2.3)传输中，若发生timeout超时，根据本发明提出的预测方案来判断是拥塞或误码造成超时，计算链路中正在传输的数据包的个数packets_in_flight，packets_in_flight＝snd_nxt-snd_una-left_out，然后与当前拥塞窗口cwnd进行比较，若大于cwnd，则认为是网络拥塞造成的，否则认为是误码造成的，如果是拥塞造成超时，那么就重传期望的数据包，令ssthresh＝(BWE*RTTmin)/seg_size(而不是cwnd/2，BWE为TCPW算法估计可用带宽)，cwnd＝1，然后重新回到慢启动阶段，否则各参数保持不变，继续传输接下来的数据包。

步骤(2.4)若收到三个重复的ACK，表示数据包丢失，同样根据本发明提出的预测方案判断是拥塞或误码导致的丢包，如果是误码造成的，保持参数不变，继续传输数据包，如果是拥塞造成丢包，则进入第4步快速重传。

步骤(2.5)快速重传，当发送端检测到三个重复ACK时，令ssthresh＝(BWE*RTTmin)/seg_size(而不是ssthresh＝cwnd/2)，如果cwnd＞ssthresh，则cwnd＝ssthresh，重传丢失的数据包，不需等到定时器超时，接下来进入第2步二分增长探测窗口阶段，而不是慢启动阶段。

步骤(3)拆除连接

发送端发送连接结束数据包，等待对方的应答，当接收端收到连接结束TCP数据包后，返回连接拆除确认应答数据包，拆除此次连接，进入到监听状态，发送端接收到拆除应答后，拆除连接。

Claims (1)

1.一种用于卫星网络的传输控制协议方法，其特征在于该传输控制方法的具体方法流程如下：

步骤1)建立连接，进入监听状态，等待发送端的连接请求，地面网络的发送端发出TCP连接请求，通过卫星网络链路的传输到达接收端，根据三次握手的方式建立连接，

步骤2)传输数据，

步骤2.1)慢启动，当TCP连接建立，拥塞窗口被初始化为1个报文段，每返回一个确认字符ACK，拥塞窗口cwnd加1，单位是报文段；发送方开始时发送一个报文段，然后等待确认字符ACK确认，当收到该确认信号时，拥塞窗口从1增加到2，即可以发送两个报文段；当收到这两个报文段的ACK确认时，拥塞窗口就增加为4；就这样呈指数增加，从1迅速增加到慢启动门限，慢启动阶段的发送窗口的增长速率与数据往返时间RTT呈反比关系，即RTT越长，发送速率增长越慢；

步骤2.2)二分增长探测拥塞窗口，当拥塞窗口cwnd大于慢启动门限ssthresh时，采用二分增长的方法来快速搜索该阶段的最佳发送窗口，用最大窗口值maxw和最小窗口值minw来控制拥塞窗口cwnd的大小，定义目标窗口tarw为tarw＝(maxw+minw)/2，用来作为下一个RTT后的拥塞窗口的值；定义dist为目标窗口和当前窗口的差值，定义阈值smax用来限制初始时窗口增长过大，当dist＞smax时，即认为目标窗口与拥塞窗口的差值过大，则在下一个RTT后，将拥塞窗口增加smax，即cwnd+＝smax；当dist＜smax时，在一个RTT之后将拥塞窗口增加dist，即cwnd+＝dist；如果未发生丢包时，令cwnd＝tarw，并将最小窗口值更新为此时的窗口大小，然后使用公式tarw＝(maxw+minw)/2重新更新目标窗口值；当发生丢包后，令丢包前的窗口大小为新的最大窗口值，并将最小窗口值更新为丢包后的窗口大小，此窗口值在改进TCPW算法中是通过带宽估计值获得的；同时使用公式tarw＝(maxw+minw)/2更新目标窗口值；重复此过程，直至最大窗口和最小窗口的差值小于一预设的阈值smin；

步骤2.3)传输中，若发生timeout超时，根据体系结构中讲到的预测方案来判断是拥塞或误码造成超时，该预测方案就是计算链路中正在传输的数据包的个数，然后与当前拥塞窗口cwnd进行比较，若大于cwnd，则认为是网络拥塞造成的，否则认为是误码造成的，如果是拥塞造成超时，那么就重传期望的数据包，令ssthresh＝(BWE*RTTmin)/seg_size，其中BWE为TCP Westwood算法估计可用带宽，RTTmin为测得的最小RTT，seg_size为报文段的大小；cwnd＝1，然后重新回到慢启动阶段，否则各参数保持不变，继续传输接下来的数据包；

步骤2.4)若收到三个重复的ACK，表示数据包丢失，同样根据本发明提出的预测方案判断是拥塞或误码导致的丢包，如果是误码造成的，保持参数不变，继续传输数据包，如果是拥塞造成丢包，则进入第4步快速重传；

步骤2.5)快速重传：当发送端检测到三个重复ACK时，令ssthresh＝(BWE*RTTmin)/seg_size，如果cwnd＞ssthresh，则cwnd＝ssthresh，重传丢失的数据包，不需等到定时器超时，接下来进入第2步二分增长探测窗口阶段，而不是慢启动阶段；

步骤3)拆除连接：发送端发送连接结束数据包，等待对方的应答，当接收端收到连接结束TCP数据包后，返回连接拆除确认应答数据包，拆除此次连接，进入到监听状态，发送端接收到拆除应答后，拆除连接。

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