CN109495388A - 基于卫星通信的tcp加速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及卫星通信技术，解决了现有卫星通信中TCP传输速率低，并且现有TCP加速方法复杂，可维护性差的问题。技术方案概括为：基于卫星通信的TCP加速方法，应用于卫星通信系统，系统包括客户端、卫星猫一、卫星、卫星猫二和服务器，卫星猫一分别与客户端和卫星连接，卫星猫二分别与服务器和卫星连接，卫星猫一和卫星猫二通过TCP透明代理技术，将客户端与服务器间的TCP连接分为三段，通过设置卫星链路对应的TCP参数来提高卫星链路的传输性能。有益效果是：本发明提高了卫星通信的传输速率，提高了带宽利用率，并且技术方案更简单，容易开发，不随TCP协议的更新而更新，可维护性高。本发明特别适用于卫星通信系统。

Description

基于卫星通信的TCP加速方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术，特别涉及卫星通信的TCP加速技术。
背景技术
在卫星通信系统中，采用TCP协议传输数据时，卫星的时延往返为600ms，传输MTU为1500，那么它的理论最大速率为：这个是根据TCP协议在600ms来回的时延模型下计算出来的理论最大速率。卫星通信由于时延大，导致TCP传输速率上不去，即使带宽设为2M，TCP传输的速率依然在38KB/s左右，卫星带宽不能得到有效利用。
为了解决上述问题，NASA提出了SCPS方案，其中的SCPS-TP协议就是一个TCP增强传输技术，它通过“欺骗”“代理”的手段在应用层面实现了SCPS-TP协议，该协议模拟TCP协议的传输技术，并在TCP的头部使用了扩展的OPTIONS进行窗口扩大，RTT检测，快速重传等技术，解决了卫星网络TCP协议报文传输的速率瓶颈。
然而，上述加速方案存在以下缺陷：
1.SCPS-TP协议是基于TCP协议进行的改造，涉及到的技术原理非常多且复杂。
2.TCP协议技术一直在更新优化，任何TCP协议变动都可能会影响SCPS-TP协议的稳定性和性能，故该方案的可维护性差，需要实时跟进TCP协议的变动。
发明内容
本发明为解决现有卫星通信中TCP传输速率低，并且现有TCP加速方法复杂，可维护性差的技术问题，提供一种基于卫星通信的TCP加速方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于卫星通信的TCP加速方法，应用于卫星通信系统，所述卫星通信系统包括客户端、卫星、服务器和两个卫星猫，所述两个卫星猫分别为卫星猫一及卫星猫二，所述卫星猫一分别与客户端和卫星连接通信，卫星猫二分别与服务器和卫星连接通信；
所述卫星猫包括以下处理步骤：
步骤一、卫星猫通过iptables的DNAT命令,在内核Netfilter的PREROUTING链中将所有TCP报文的目的IP和目的端口转换为该卫星猫的IP和指定端口；
步骤二、卫星猫开启TCP的socket监听该卫星猫的指定端口，并通过该指定端口接收TCP报文；
步骤三、对于该指定端口接收到的任一TCP报文，卫星猫提取该TCP报文的源IP和源端口，并通过socket选项的SO_ORIGINAL_DST提取该TCP报文的原目的IP和原目的端口；
步骤四、卫星猫根据该接收到的TCP报文生成新TCP报文，然后获取并绑定本地空闲端口，向内核下发SNAT命令，在POSTROUTING链中将新TCP报文的源IP和源端口替换为步骤三所提取到的该TCP报文的源IP和源端口；
步骤五、卫星猫根据步骤三所提取到的该TCP报文的原目的IP和原目的端口，将新TCP报文发送到原目的IP和原目的端口对应的设备；
基于卫星猫的处理步骤，通过设置卫星链路的TCP参数来提高卫星链路的传输性能。
作为进一步优化，进行设置的卫星链路的TCP参数包括tcp_congestion_control。tcp_congestion_control用于设置卫星传输的拥塞算法。
作为进一步优化，进行设置的卫星链路的TCP参数包括tcp_adv_win_scale。tcp_adv_win_scale用于设置窗口扩展。
作为进一步优化，进行设置的卫星链路的TCP参数包括tcp_app_win。tcp_app_win用于设置应用层窗口。
有益效果是：本方法结合linux内核的TCP协议，通过使用linux内核中Netfilter技术，拦截TCP报文，SNAT还原源IP端口等手段，在卫星猫上实现了TCP报文的透明代理功能，代理前后源IP、目的IP、源端口和目的端口都不变，成功的“欺骗”了客户端和服务器，将客户端到服务器的TCP连接分为了3段，再通过对卫星链路对应的TCP参数进行调优，使之更适应卫星的传输特性。实现了在用户层通过TCP透明代理技术，增大传输窗口，加大传输缓存，从而提高了TCP传输速率，提高卫星带宽使用效率，相对于现有技术本发明的技术方案更简单，容易开发，并且本发明不随TCP协议的更新而更新，可维护性高。本发明特别适用于卫星通信系统。
附图说明
图1是本发明实施例的卫星通信系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步说明本发明的技术方案。
本发明的技术方案是：基于卫星通信的TCP加速方法，应用于卫星通信系统，所述卫星通信系统包括客户端、卫星、服务器和两个卫星猫，所述两个卫星猫分别为卫星猫一及卫星猫二，所述卫星猫一分别与客户端和卫星连接通信，卫星猫二分别与服务器和卫星连接通信；
卫星猫包括以下处理步骤：
步骤一、卫星猫通过iptables的DNAT命令,在内核Netfilter的PREROUTING链中将所有TCP报文的目的IP和目的端口转换为该卫星猫的IP和指定端口；
步骤二、卫星猫开启TCP的socket监听该卫星猫的指定端口，并通过该指定端口接收TCP报文；
步骤三、对于该指定端口接收到的任一TCP报文，卫星猫提取该TCP报文的源IP和源端口，并通过socket选项的SO_ORIGINAL_DST提取该TCP报文的原目的IP和原目的端口；
步骤四、卫星猫根据该接收到的TCP报文生成新TCP报文，然后获取并绑定本地空闲端口，向内核下发SNAT命令，在POSTROUTING链中将新TCP报文的源IP和源端口替换为步骤三所提取到的该TCP报文的源IP和源端口；
步骤五、卫星猫根据步骤三所提取到的该TCP报文的原目的IP和原目的端口，将新TCP报文发送到原目的IP和原目的端口对应的设备；
基于卫星猫的处理步骤，通过设置卫星链路的TCP参数来提高卫星链路的传输性能。
上述方法中，卫星猫一和卫星猫二都进行步骤一至步骤五的处理，通过使用linux内核中Netfilter技术，拦截TCP报文，SNAT还原源IP端口等手段，在卫星猫上实现了TCP报文的透明代理功能，并且代理前后报文的源IP、目的IP、源端口和目的端口都不变。经过上述透明代理后，将客户端到服务器的TCP连接分为了3段，分别是TCP连接一、TCP连接二和TCP连接三，TCP连接一为客户端与卫星猫一之间的TCP连接，TCP连接二为卫星猫一与卫星之间的TCP连接和卫星与卫星猫二之间的TCP连接，TCP连接三为卫星猫二与服务器之间的TCP连接，其中TCP连接二就是卫星链路的TCP连接。根据卫星通信系统的传输特性或应用的场景等具体情况，对TCP连接二的TCP参数进行设置，就能提高卫星链路的传输性能，提高卫星通信的带宽利用率，提高数据传输速率。
对上述方法进行进一步优化，具体可以是：进行设置的卫星链路的TCP参数可以包括tcp_congestion_control，tcp_congestion_control用于设置卫星传输的拥塞算法。TCP参数还可以包括tcp_adv_win_scale，tcp_adv_win_scale用于设置窗口扩展。TCP参数还可以包括tcp_app_win，tcp_app_win用于设置应用层窗口。
实施例
下面具体举例说明。
本例的卫星通信系统如图1所示，包括客户端、卫星猫一、卫星、卫星猫二和服务器，卫星猫一分别与客户端和卫星连接通信，卫星猫二分别与服务器和卫星连接通信。
本例的基于卫星通信的TCP加速方法，应用于本例的卫星通信系统，卫星猫一按照以下步骤进行处理：
步骤一、卫星猫一通过iptables的DNAT命令,在内核Netfilter的PREROUTING链中将所有TCP报文的目的IP和目的端口转换为卫星猫一的IP和指定端口；
步骤二、卫星猫一开启TCP的socket监听卫星猫一的指定端口，并通过该指定端口接收TCP报文；
步骤三、对于该指定端口接收到的任一TCP报文，卫星猫一提取该TCP报文的源IP和源端口，并通过socket选项的SO_ORIGINAL_DST提取该TCP报文的原目的IP和原目的端口；
步骤四、卫星猫一根据该接收到的TCP报文生成新TCP报文，然后获取并绑定本地空闲端口，向内核下发SNAT命令，在POSTROUTING链中将新TCP报文的源IP和源端口替换为步骤三所提取到的该TCP报文的源IP和源端口；
步骤五、卫星猫一根据步骤三所提取到的该TCP报文的原目的IP和原目的端口，将新TCP报文发送到原目的IP和原目的端口对应的设备。
卫星猫二进行处理的步骤与卫星猫一相同，通过卫星猫一和卫星猫二的上述处理过程，客户端到服务器的TCP连接被分为了TCP连接一、TCP连接二和TCP连接三，参见图1，TCP连接一为客户端与卫星猫一之间的TCP连接，TCP连接二为卫星猫一与卫星之间的TCP连接和卫星与卫星猫二之间的TCP连接，TCP连接三为卫星猫二与服务器之间的TCP连接，其中TCP连接二就是卫星链路的TCP连接。在TCP连接二中，设置卫星猫一和卫星猫二linux内核的TCP参数，本例中对tcp_congestion_control、tcp_adv_win_scale和tcp_app_win进行设置，tcp_congestion_control用于设置卫星传输的拥塞算法，tcp_adv_win_scale用于设置窗口扩展，tcp_app_win用于设置应用层窗口，根据卫星通信系统的传输特性或应用的场景等具体情况设置上述TCP参数，就能提高卫星通信的带宽利用率，提高数据传输速率。

Claims (4)

1.基于卫星通信的TCP加速方法，应用于卫星通信系统，所述卫星通信系统包括客户端、卫星、服务器和两个卫星猫，所述两个卫星猫分别为卫星猫一及卫星猫二，所述卫星猫一分别与客户端和卫星连接通信，卫星猫二分别与服务器和卫星连接通信，其特征在于：
所述卫星猫包括以下处理步骤：
步骤一、卫星猫通过iptables的DNAT命令,在内核Netfilter的PREROUTING链中将所有TCP报文的目的IP和目的端口转换为该卫星猫的IP和指定端口；
步骤二、卫星猫开启TCP的socket监听该卫星猫的指定端口，并通过该指定端口接收TCP报文；
步骤三、对于该指定端口接收到的任一TCP报文，卫星猫提取该TCP报文的源IP和源端口，并通过socket选项的SO_ORIGINAL_DST提取该TCP报文的原目的IP和原目的端口；
步骤四、卫星猫根据该接收到的TCP报文生成新TCP报文，然后获取并绑定本地空闲端口，向内核下发SNAT命令，在POSTROUTING链中将新TCP报文的源IP和源端口替换为步骤三所提取到的该TCP报文的源IP和源端口；
步骤五、卫星猫根据步骤三所提取到的该TCP报文的原目的IP和原目的端口，将新TCP报文发送到原目的IP和原目的端口对应的设备；
基于卫星猫的处理步骤，通过设置卫星链路的TCP参数来提高卫星链路的传输性能。
2.如权利要求1所述的基于卫星通信的TCP加速方法，其特征在于：进行设置的卫星链路的TCP参数包括tcp_congestion_control。
3.如权利要求1所述的基于卫星通信的TCP加速方法，其特征在于：进行设置的卫星链路的TCP参数包括tcp_adv_win_scale。
4.如权利要求1所述的基于卫星通信的TCP加速方法，其特征在于：进行设置的卫星链路的TCP参数包括tcp_app_win。
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