CN108965322A - 空间网络传输控制协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间网络传输控制协议，包括以下步骤：使用TCP Hybla的拥塞控制算法，其中，在每次调整完拥塞窗口后，启动一个定时器，以半个RTT为间隔再次增加拥塞窗口，实现高时延网络拥塞控制机制；通过配置路由器或者交换机显式通告发送方拥塞的发生，其中，当发送方收到显式拥塞的通告后，按照预设规定减少发送速率，实现基于ECN的拥塞判定；通过应用进程提供连接保活最小时间参数，其中，应用进程通过设置参数以配置空间网络传输控制协议长连接的最短存活时间。该方法在拥塞控制和可靠传输方面更适用于空间网络的环境，有效提高了传输控制的适用性、稳定性和可靠性，简单易实现。

Description

空间网络传输控制协议

技术领域

本发明涉及互联网技术领域，特别涉及一种空间网络传输控制协议。

背景技术

空间网络中的通信信道的特性与地面网络不同，空间网络会对地面网络使用的TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)可靠传输协议产生严峻的挑战：

(1)链路误码率高：TCP使用丢包作为拥塞发生的信号，当发生丢包时，速度会降低。但是在空间网络中丢包的原因还包括链路的错误传输。对于卫星链路，位错误概率大约为10-7。如果遇到雨衰，误码率会大大增加，由于误码导致的丢包甚至能够超过50％，在极端情况下信道不能正常通信。在这种情况下，频繁的丢包会使得TCP无法维持较高的发送窗口，并且会进行大量重传。最终传输吞吐量会显著下降。

(2)传播时延大：受通信设备之间的距离的影响，空间网络端系统之间的时延会比地面网络时延要大很多。当地面站要借助同步卫星通信时，一个RTT(Round-Trip Time，往返时延)的传播时延就超过500ms。远高于地面网络的传播时延。TCP的速度增加依赖于ACK(Acknowledgement，确认字符)的到达，RTT越大，速度增加越慢。特别的，TCP的慢启动会受高延迟影响较大，发送方需要更长的时间收敛到稳定状态；高延迟也使得路径上的信息，如：丢包、延迟变化等到达端系统的时间变慢，间接影响性能。

(3)链路带宽不对称：受卫星等航天器设备的发送天线大小的限制，链路会出现不对称的情况。极端情况下卫星信道的上行下行带宽比例能够达到1:1000，这会导致在使用TCP的时候，可能出现由于ACK导致的拥塞。

(4)链路易中断：由于空间网络的载体可能在通信时进行移动，空间链路可能并不稳定。传统TCP需要通信双方是可以直接连接传输的，这一假设在空间网络中并不一定成立。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种空间网络传输控制协议，该协议在拥塞控制和可靠传输方面更适用于空间网络的环境，有效提高了传输控制的适用性、稳定性和可靠性，简单易实现。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种空间网络传输控制协议，包括以下步骤：使用TCP Hybla的拥塞控制算法，其中，在每次调整完拥塞窗口后，启动一个定时器，以半个RTT为间隔再次增加拥塞窗口，实现高时延网络拥塞控制机制；通过配置路由器或者交换机显式通告发送方拥塞的发生，其中，当所述发送方收到显式拥塞的通告后，按照预设规定减少发送速率，实现基于ECN(Explicit Congestion Notification，显式拥塞通告)的拥塞判定；通过应用进程提供连接保活最小时间参数，其中，所述应用进程通过设置所述参数以配置所述空间网络传输控制协议长连接的最短存活时间。

本发明实施例的空间网络传输控制协议，通过使用TCP Hybla的拥塞控制算法，并通过配置路由器或者交换机显式通告发送方拥塞的发生，通过应用进程提供连接保活最小时间参数，从而在拥塞控制和可靠传输方面更适用于空间网络的环境，有效提高了传输控制的适用性、稳定性和可靠性，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的空间网络传输控制协议还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，在收到ACK之后，不再增加拥塞窗口。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：检测在空间网络传输控制协议未收到ECN的持续时间和/或ACK只重传数据的重复次数；在所述空间网络传输控制协议未收到ECN的持续时间小于预设时间，和/或重复次数小于预设次数，则不认为发生拥塞事件，且不降低发送窗口。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：检测所述空间网络传输控制协议是否满足连接断开条件；如果满足所述连接断开条件，且连接建立时间超过所述参数，则断开连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在增加所述拥塞窗口时，窗口增加规则为：

其中，W_i+1是每次收到ACK后的窗口值，W_i为窗口值，ρ为一个可调节参数，SS为慢启动阶段，CA为拥塞避免阶段

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的空间网络传输控制协议的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的空间网络传输控制协议。

图1是本发明一个实施例的空间网络传输控制协议的流程图。

如图1所示，该空间网络传输控制协议包括以下步骤：

在步骤S101中，使用TCP Hybla的拥塞控制算法，其中，在每次调整完拥塞窗口后，启动一个定时器，以半个RTT为间隔再次增加拥塞窗口，实现高时延网络拥塞控制机制。

在本发明的一个实施例中，在收到ACK之后，不再增加拥塞窗口。

可以理解的是，本发明实施例使用TCP Hybla的拥塞控制算法，并对其进行如下改进，且在每次调整完拥塞窗口后，都启动一个定时器，以半个RTT为间隔再次增加拥塞窗口，并在收到ACK之后，不再增加拥塞窗口，从而实现高时延网络拥塞控制机制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在增加拥塞窗口时，窗口增加规则为：

其中，W_i+1是每次收到ACK后的窗口值，W_i为窗口值，ρ为一个可调参数，SS为慢启动阶段，CA为拥塞避免阶段。

具体而言，空间网络链路时延高，标准TCP拥塞控制下会出现性能下降现象。TCPHybla拥塞控制算法适用于高RTT网络环境，其将传输速率独立于网络时延之外，采用时延补偿方法，解决链路不同RTT公平问题，且对于大延时网络可提高传输效率。当某个数据流的RTT值小于参考值(RTT₀)时，该算法将采用与地面网络相同的TCP拥塞控制策略NewReno。不同于NewReno中的AIMD规则，它的窗口增加规则如下所示：

其中，W_i+1是每次收到新的ACK后新窗口值，参数ρ＝RTT/RTT₀，RTT₀在linux中默认设置为25ms，当越接近1时，表明网络拥塞可能性越低，需补偿传输速率越低。

由于在空间网络环境中需要容忍延时ACK和ACK丢失，所以需要进一步改进TCPHybla算法。因此设计TCP Hybla+算法，将基于ACK到达的速度调整，改为基于时钟中断的速度调整，每半个RTT调整一次，增加量为TCP Hybla中每个RTT增加量的一半。

在步骤S102中，通过配置路由器或者交换机显式通告发送方拥塞的发生，其中，当发送方收到显式拥塞的通告后，按照预设规定减少发送速率，实现基于ECN的拥塞判定。

在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：检测在空间网络传输控制协议未收到ECN的持续时间和/或ACK只重传数据的重复次数；在空间网络传输控制协议未收到ECN的持续时间小于预设时间，和/或重复次数小于预设次数，则不认为发生拥塞事件，且不降低发送窗口。

可以理解的是，本发明实施例通过配置路由器或者交换机，显式通告发送方拥塞的发生。当发送方收到显式拥塞的通告后，按照标准规定减少发送速率。空间网络传输控制协议未收到ECN的超时和三次重复ACK只重传数据，不认为发生拥塞事件，不降低发送窗口，从而实现基于ECN的拥塞判定。

具体而言，显式拥塞通知是一种避免隐式测量的技术，这套机制是为了处理网络中的拥塞。简单来说，ECN机制是一种当路由器(或三层交换机)出现拥塞后，通知TCP发送方的方法。在传输TCP的段时，IP首部中的一对比特位可以用来记录当前路由器的拥塞的状态。在TCP到达接收端后，接收方就知道了传输是否经历了拥塞。然后，接收方使用ACK告知发送方拥塞的发生，发送方会做出响应，缩小拥塞窗口。

ECN使用了IP首部的两个位和TCP首部的两个位，分别用于让路由器标记拥塞和接收方与发送方在TCP层通信。对于TCP层的两个位，接收方使用其中一个将拥塞信息送回发送方，发送方使用一个位将自己已经收到上述通知的信息告知接收方。对于IP首部中的两个位，路由器可以选择将其中任何一个比特置1，表示发生了拥塞。

TCP的拥塞控制和拥塞避免算法都是基于网络是一个“黑盒”这一概念设计的。网络拥塞的状况，是由端系统通过不断增加网络的流量直到网络拥塞丢包的方法，检测出来的。由于在介质上传输过程中出现错误的可能性比较小，所以可以假设包的丢失很大程度上是由于路由器的拥塞，即路由器用来容纳进入包的缓冲区已经被填满了，这样路由器就会自动丢包。

尽管TCP可以检测到包的丢失，并且重传，但是在这个过程中会耗费较多的网络资源。在接收到拥塞的通知后，TCP发送端减小发送窗口，降低发送方发送速率，减轻路由器的缓冲区的消耗。

发送方需要对空间网络中的丢包进行判断，如果是拥塞丢包再减少发送速度。ECN是IETF标准化的显式拥塞通告机制，可以通过配置路由器或者交换机，显式通告发送方拥塞的发生。当发送方收到显式拥塞的通告后，按照标准规定减少发送速率。我们提出空间网络中未收到ECN的超时和三次重复ACK只重传数据，不降低发送窗口。

在步骤S103中，通过应用进程提供连接保活最小时间参数，其中，应用进程通过设置参数以配置空间网络传输控制协议长连接的最短存活时间。

在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：检测空间网络传输控制协议是否满足连接断开条件；如果满足连接断开条件，且连接建立时间超过参数，则断开连接。

可以理解的是，本发明实施例的应用进程提供连接保活最小时间参数(APP_KEEP_ALIVE)，应用进程可以通过设置该参数来配置空间网络传输控制协议长连接的最短存活时间。空间网络传输控制协议中的连接只有当同时满足标准TCP的连接断开条件，和连接建立时间超过APP_KEEP_ALIVE，才能拆除连接。

具体而言，连接保活技术类似于BGP的应用程序需要一段时间的保活传输。为了能满足这些应用对连接的需求，空间网络传输控制协议向应用进程提供连接保活最小时间参数(APP_KEEP_ALIVE)，应用进程可以通过设置该参数来配置空间网络传输控制协议长连接的最短存活时间。

空间网络传输控制协议中的连接只有当同时满足标准TCP的连接断开条件，和连接建立时间超过APP_KEEP_ALIVE后，才能拆除连接。

另外，本发明实施例的空间网络传输控制协议空间网络传输控制协议需要实现在操作系统软件协议栈内，本发明实施例的目的在于对地面网络使用的TCP协议进行改进，从而设计一种空间网络传输控制协议。

根据本发明实施例提出的空间网络传输控制协议，通过使用TCP Hybla的拥塞控制算法，并通过配置路由器或者交换机显式通告发送方拥塞的发生，通过应用进程提供连接保活最小时间参数，从而在拥塞控制和可靠传输方面更适用于空间网络的环境，有效提高了传输控制的适用性、稳定性和可靠性，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种空间网络传输控制协议，其特征在于，包括以下步骤：

使用TCP Hybla的拥塞控制算法，其中，在每次调整完拥塞窗口后，启动一个定时器，以半个RTT为间隔再次增加拥塞窗口，实现高时延网络拥塞控制机制；

通过配置路由器或者交换机显式通告发送方拥塞的发生，其中，当所述发送方收到显式拥塞的通告后，按照预设规定减少发送速率，实现基于ECN的拥塞判定；以及

通过应用进程提供连接保活最小时间参数，其中，所述应用进程通过设置所述参数以配置所述空间网络传输控制协议长连接的最短存活时间。

2.根据权利要求1所述的空间网络传输控制协议，其特征在于，在收到ACK之后，不再增加拥塞窗口。

3.根据权利要求1所述的空间网络传输控制协议，其特征在于，还包括：

检测在空间网络传输控制协议未收到ECN的持续时间和/或ACK只重传数据的重复次数；

在所述空间网络传输控制协议未收到ECN的持续时间小于预设时间，和/或重复次数小于预设次数，则不认为发生拥塞事件，且不降低发送窗口。

4.根据权利要求1所述的空间网络传输控制协议，其特征在于，还包括：

检测所述空间网络传输控制协议是否满足连接断开条件；

如果满足所述连接断开条件，且连接建立时间超过所述参数，则断开连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的空间网络传输控制协议，其特征在于，在增加所述拥塞窗口时，窗口增加规则为：

其中，W_i+1是每次收到ACK后的窗口值，W_i为窗口值，ρ为一个可调参数，SS为慢启动阶段，CA为拥塞避免阶段。