CN1172458C - Tp-s卫星信道传输方法 - Google Patents

Abstract

TP-S卫星信道传输方法属于卫星信道传输技术领域，其特征在于：把TCP协议的应答机制变为选择被动应答，发送端只重发接收端明确要求重发的数据帧；通过采取下列措施把TCP协议保守的拥塞控制机制变为积极的拥塞控制机制；滑动窗口的大小设定为32bit；检测到拥塞时，拥塞窗口的减少量为TCP的2/3；在拥塞规避阶段使拥塞窗口呈非线性增长；采用后向明确拥塞指示，使路由器直接通知数据发送端网络即将拥塞；使主要出错处理由接收端发出的被动应答包完成，接收端发出的轮询应答包在错误较多时起辅助作用。在带宽为2M的信道上，它的下行平均速率达到了1.7Mb/s，使信道利用率达到80%以上；同时减少了对上行信道带宽的要求，数据包的丢失更少。

Description

TP-S卫星信道传输方法

技术领域：

TP-S卫星信道传输方法属于卫星信道传输技术领域。

背景技术：

由于卫星信道具有与地面信道不同的一些特点，而TCP/IP协议当初是为地面网络设计的，所以TCP/IP协议在卫星信道上的传输性能比较差。对TCP影响较大的几个因素是：

1)长延时：卫星信道的延时很长，在GEO系统中，传输往返时间(发送端从发送数据到收到应答所需时间)为540毫秒，而一般地面网络的传输往返时间为几个到几十个毫秒。这样大的延时使TCP的慢启动花费很长的时间。拥塞控制等机制也要花费好几个往返时间，无法高效率的运作。

2)大延时带宽积：卫星信道的延时带宽积(DBP，信道延时与带宽的乘积)很大。TCP传输最大速率如下式。其中RTT为传输往返时间。

最大速率＝最大发送窗口/RTT

在发送窗口为64KB，RTT为540ms(GEO系统)时，最大速率仅为0.95Mbps，而卫星信道的带宽一般在2Mbps以上。因此64KB的发送窗口不能充分利用卫星信道带宽。

3)高突发错误率：卫星信道的突发错误率较高，由于使用无线信道，卫星通信系统容易受到天气等自然因素的影响，发生突发性错误。由于TCP协议在出错后需要重传错误的数据，因此这对TCP协议的性能也有很大影响。

目前提出的改进方案很多，主要的设计思想有两点，一是如何削弱卫星信道对TCP协议不利的影响因素或者使协议“看”不到这些影响因素，二是如何修改TCP协议使其不容易被卫星信道的不利因素所影响。基于前一种设计思想的解决方案有使用地面而不是卫星信道作为上行信道，从而减少了系统的传输往返延时；还有通过改进纠错机制，降低系统的传输错误率等。基于后一种设计思想比较好的解决方案有选择应答等。

选择应答(SACK)是当发生多个数据段丢失时，TCP处理策略的一种改进方案。标准的TCP应答只有接收端下一个要接收的数据段序列号。而使用选择应答，接收端可以告诉发送端所有接收成功的数据段序列号，从而使发送端只重发那些确实丢失的数据段，并在一个往返时间内重发多个丢失的数据段，提高了TCP传输的性能。选择应答目前已成为TCP协议扩展的一部分，Windows98和Linux及目前主要使用的操作系统都支持选择应答。选择应答仍然使用了TCP保守的拥塞控制机制，在仿真和实际应用中的传输性能虽然有一定的提高，但仍不够理想。

研究表明，TCP协议的应答机制和保守的拥塞控制机制是导致TCP协议在卫星信道上传输性能不佳的主要原因。由于TCP发送端根据收到的应答来调整发送策略，但是经过很长时间才传回来的应答已经不能准确的反映信道和接收端的状态了，因此发送端的调整总间才传回来的应答已经不能准确的反映信道和接收端的状态了，因此发送端的调整总是落后于系统的状态变化。另外，接收端每收到一个数据包就发送一个应答，而每个应答携带的数据量很少，在延时很大的系统中这种机制的效率比较低。

当信道拥挤或者发生错误造成数据丢失时，TCP协议缺省认为信道发生拥塞，进入拥塞规避阶段，并采用拥塞控制机制来恢复错误数据和调整发送速率。拥塞控制机制的主要内容是发送窗口减小1/2、无错传输时发送窗口线性增长等。由于卫星信道延时很长，需要使用的发送窗口很大；而发送窗口线性增长的速率与RTT成反比，每过一个RTT时间发送窗口增长1。因此卫星信道上从出错到完全恢复发送速率，拥塞控制机制所需的时间远远大于地面信道，在这么长的时间里信道容量都没有得到充分的利用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可靠的为IP网络设计的TP-S卫星信道传输方法。

TP-S协议与TCP协议相比，创新点主要体现在两个方面。

一.被动应答

TP-S协议与TCP的一个主要区别，也是它适用于卫星系统的一个优点，是它的应答机制。TCP协议的应答是数据驱动的，每收到一个数据帧就发送一个应答，这种机制虽然对传输启动时的窗口增长有利，但在发送窗口较大时将产生大量应答数据流。而TP-S周期性的要求接收端报告所有未接收的数据帧，接收端在发现数据帧丢失时立即发送被动应答包(NACK)。这两种机制结合使用不但降低了回传的应答数据量而且加快了出错恢复过程。TP-S协议主要解决了TCP协议在外交互卫星通信系统中遇到的下列三个难题：

1.回传信道占用率高。由于外交互卫星通信系统使用的回传信道是带宽较窄的Modem连接，下行速率较高时，TCP协议的应答将塞满回传信道。而TP-S协议的回传数据量仅为TCP的1/10。

2.在高突发错误率的情况下性能降低。由于使用了被动应答和强壮的传输机制，TP-S协议在信道丢包率达到10-5时仍能高速传输。

3.单连接的传输速率低。TCP的传输速率在外交互卫星系统中有很大降低，不能充分利用信道带宽。而TP-S协议则基本能充分利用信道带宽，达到近90％的利用率。

二.积极的拥塞控制策略

前面提到TCP协议的拥塞控制机制过于保守是导致TCP在卫星信道上传输性能不佳的原因之一。所以TP-S协议在沿用TCP的滑动窗口控制机制的同时，采用了更积极的拥塞控制策略。详细说明如下：

1.大的启动窗口和发送窗口。

首先我们知道TCP缺省的启动窗口是1，也就是一个IP帧，典型长度是1K字节。而将启动窗口增加到4的话，就可以减少两个RTT的慢启动时间，提高传输效率。尤其是对于因特网浏览业务，浏览速度将有很大的提高。因为大部分主页的html文件和图象文件都只有几K字节大小，采用4个数据段为启动窗口的话就可以在一个RTT时间内完成一个文件的传输，而不是2到3个RTT。

卫星信道是一个延时带宽积很大的“肥胖”信道，要充分利用信道带宽，就需要一个大的发送窗口来保证有足够多的数据在信道上传输。由于TCP协议最初设计时只分配了16bit的空间存放窗口值，因此窗口值最大为64K字节，但TCP协议的一个改进方案使它的发送窗口突破了64K字节的限制。因为TP-S也使用了窗口机制，因此在设计时就将窗口的大小设定为32bit，这样就没有64K的限制。在实际的传输过程中也提供了接口可以改变连接使用的发送窗口上限和初始值。在我的仿真中使用的是200个数据帧长。

2.较少的拥塞“回缩”

如前所述，TCP协议缺省认为所有数据帧的丢失是因为网络拥塞，并采取了很保守的避免拥塞机制，在发现数据丢失时“回缩”-将拥塞窗口减半。而卫星信道的突发错误率比较高，数据帧丢失的原因很可能是信道传输错误，而并不是网络拥塞。而且卫星信道的延时很大，在上面传输的TCP协议使用的窗口值也很大，这就使拥塞窗口在减半以后增长的过程很慢。因此极大的降低了TCP协议的传输效率。为了解决这个问题，TP-S协议采用了较少的拥塞“回缩”-将拥塞窗口减为原来的2/3。

3.非线性的拥塞窗口增长

TCP协议中每收到一个正确应答，拥塞窗口都会相应的增加，增加的方式有两种，计算公式如下：

公式中CWND为拥塞窗口，SSTRESH为慢启动门限，拥塞窗口小于慢启动门限时叫做慢启动阶段，大于或等于慢启动门限时叫做拥塞规避阶段。在第一种也就是慢启动阶段，拥塞窗口是指数增长的，每个RTT时间增加一倍。而在第二种也就是拥塞规避阶段，拥塞窗口是线性增长的，每个RTT时间增加1。也就是说无论在拥塞规避阶段中的什么时间，拥塞窗口的增长速度是不变的。

一种也就是慢启动阶段，拥塞窗口是指数增长的，每个RTT时间增加一倍。而在第二种也就是拥塞规避阶段，拥塞窗口是线性增长的，每个RTT时间增加1。也就是说无论在拥塞规避阶段中的什么时间，拥塞窗口的增长速度是不变的。

TP-S在慢启动阶段使用的拥塞窗口增加算法与TCP相同，而在拥塞规避阶段使用了不同的算法，公式如下：

CWND＝CWND+150÷(CWND*CWND)

这样拥塞窗口的增长将是非线性的，窗口较小时增长较快，窗口较大时增长较慢。仿真的结果显示这样有助于提高传输速率。

4.明确拥塞指示(ECN)

ECN通过通知TCP发送端网络即将发生拥塞，发送端立即降低发送速率，从而达到避免拥塞的目的。ECN有两种实现方案：BECN(后向ECN)和FECN(前向ECN)。在BECN机制中，路由器直接给数据发送端发送消息通知它网络即将拥塞。在FECN机制中，路由器在拥塞即将发生时在收到的数据帧中放一个标志，但仍然转发这个数据帧，数据接收端收到这个数据帧后通过应答通知发送端网络即将拥塞，于是发送端降低发送速率。

在外交互系统中，可以在DVB网关上实现明确拥塞控制机制。由于卫星信道的延时很大，如果采用FECN的话，从网关发现即将拥塞到发送端收到指示的响应时间太长，将不会有什么效果。所以尽管BECN的实现比较麻烦，但由于响应时间短，效果就会比较明显。

在TP-S协议中，发送端收到拥塞指示后的处理方式如下：

CWND＝CWND÷1.15；SSTHRESH＝CWND

5.数据类型及格式

除了连接建立和中止时需要的其他数据帧类型外，TP-S协议在传输中使用的数据帧分为四种。第一种是发送数据帧(Forward Data)，简称FD。发送数据帧是一个长度可变的数据段，包含需要传输的数据和24位的序列号以及校验和。未被应答的发送数据帧存放在缓存中，同时保存一个时标(timestamp)表示FD发送的时间。发送数据帧本身并不包含控制信息，控制信息是通过轮询数据帧(POLL)和轮询应答(PACK)来传输的。轮询数据帧是周期发送的，包含这个帧的发送时间和下一个发送的FD的序列号，它的主要作用是查询接收端的状态。接收端收到POLL后，向发送端发送轮询应答。轮询应答中包含正确接收(不乱序)的最后一个，也就是序列号最大的，发送数据帧的序列号；以及所有接收错误、乱序的数据帧的序列号。轮询应答的格式和TCP协议改进中的选择应答(SACK)很相似，区别在于轮询应答报告所有的错误、乱序的数据帧序列号，而SACK只报告最近的3个错误数据帧的序列号。由于轮询应答报告所有错误，所以即使丢失了少量的POLL和PACK帧，协议的传输效率也不会受到大的影响。最后一种数据帧是被动应答(Negative Acknowledge)，简称NACK。当接收端发现传输错误(乱序)的数据帧时，立刻向发送端发送被动应答，而不是等待轮询数据帧到达。可以这样说，主要的出错处理是由NACK完成的，而PACK在错误较多时起一个辅助作用。图1是这四种数据帧的帧头格式定义。

本发明的特征在于：它是在源代码公开的Linux操作系统中实现的，它是在初始化后用状态转移图的形式，用下述状态转移次序达到的：

设定：

启动窗口为4个数据段；

发送窗口为32bit；

使用下述四种数据帧；

发送数据帧FD，它是一个长度可变的数据段，包含需要传输的数据和24倍的序列号以及校验和，未被应答的发送数据帧存放在缓存中，同时保存一个表示该数据帧发送时间的时标；

轮询数据帧POLL，它是周期比向接收端发送的包含这个轮询数据帧POLL的发送的时间和下一个发送上述发送数据帧的序号；

轮询应答数据帧，它是接收端收到轮询数据帧后再向发送端发送的，它包含正确接收的最后一个发送数据帧的序列号，以及所有接收错误，乱序的上述发送数据帧的序列号；

被动应答数据帧NACK，它是在接收端发现传输错误的数据帧的立即向发送端发送的，它包含所发现的所有数据帧序号；

设定网络拥塞的时的拥塞“回缩”是把拥塞窗口减少原值的2/3；

在慢启动阶段，拥塞窗口按指数增长；在拥塞规避阶段，按下述公式以非线性方式增长：

CWND＝CWND+150÷CCWND*CWND；

其中，CWND为拥塞窗口；

网络即将发生拥塞时，采用前向明确拥塞指示FECN，使发送端收到拥塞指示后，采用下述数值的拥塞窗口：

CWND＝CWND÷1.15，其中的CWND慢启动阶段的CWND，即SSTHRESH；

(1)服务器程序调用sosket()函数建立socket，bind()函数绑定socket，Listen()函数监听窗口，进入“监听”状态，等待客户端的连接；

(2)客户端程序的调用socket建立socket后，用connect()函数连接服务点，再向服务点发送传输开始数据包BGN，请求与服务器连接，并进入“发送BGN”状态；

(3)服务器收到BGN数据包后，向客户端发送一个传输开始应答BGNAK数据包，并从“监听”状态进入“建立连接”状态；

(4)客户端在收到BGNAK数据包后，从“发送状态”进入“建立连接”状态开始按以下方式传输数据：

(4.1)设客户端即发送端连续发送序号从0开始到4的4个FD数据帧，再发送一个POLL数据帧；

(4.2)若服务器接收成功，便发送一个PACK数据帧；

(4.3)若服务器接收失败，便发送一个NACK数据帧，当发送端接收到NACK数据帧后，便向服务端发送所丢失的数据帧；

在传输过程中，拥塞窗口根据拥塞窗口是否小于慢启动门限来判定是慢启动还是拥塞迥避阶段，分时按上述方式来调整拥塞窗口大小；

在传输过程中，即将发生拥塞时，采用上述前面明确拥塞指示FECN方式；

在传输过程中，已经发生拥塞的按上述拥塞窗口“回缩”来调整拥塞窗口大小；

(5)服务器将数据全部发送完毕后，向客户端发送传输结果END数据包；

(6)客户端收到END数据包后，向服务器发送传输结束应答ENDAK数据包，并从“建立连接”状态进入“接收结束”状态；

(7)若客户端程序调用关闭连接close()函数，客户端就会向服务器发送END数据包，表示连接将关闭，并从“接收结束”状态进入“最终应答”状态；

(8)服务器收到END数据包后，进入过渡状态“关闭挂起”后，向客户端发送ENDAK数据包，双方从“最终应答”状态进入“关闭”状态。

实验证明：本发明使信道平均利用率达到80％以上，超出选择应答30％；同时也减少了上行信道带宽的要求，达到了预期目的。

附图说明：

图1：TP-S卫星信道专用传输方法的数据帧格式，其中a：发送数据帧；b：轮询数据帧；c：被动应答帧；d：轮询应答帧。

图2：外交互卫星通信系统框图。

图3：数据基本传输过程示意图。

图4：状态转移示意图。

具体实施方式：

本发明是在图2所示外交互卫星通信系统中使用的，其数据基本传输过程如图3所示，现描述如下：

图3是协议基本传输过程示意图。为了简单起见，这个图中的数据是往一个方向传输的。这个图主要想说明的是传输中的出错重传过程，因此也没有包括连接建立和结束的部分。发送端连续的发送数据帧，数据帧序列号从0开始逐个增加。第4个FD数据帧发送后，发送了一个POLL数据帧，发送的原因可能是POLL计时器超时或者是发送的数据帧数量超过预先设定的门限。这个POLL帧告诉接收端下一个发送的FD序列号是5，所以接收端应该接收到0～4号FD，由于这几个数据帧都成功接收了，所以接收端发送一个PACK数据帧报告没有数据丢失。在发送POLL后，发送端接着发送5～9号FD数据帧，但是7号FD在传输过程中丢失。接收端接收到8号FD时判断出7号丢失了，于是立即发送NACK数据帧要求重发。在这个NACK到达发送端之前，发送端又发送了一个POLL。当发送端接收到NACK后，立即重发7号数据帧，然后接着发送11号FD。这时发送端收到了PACK，PACK再次报告7号数据帧丢失，但PACK携带的时标信息表明7号数据帧的重发是在PACK对应的POLL发送之后，有可能重发的数据还没有到达接收端，所以发送端这时不重发。这样就避免了不必要的重发。

本发明包括连接建立、数据传输及结束的全过程，详见图4，已如前述。

本发明的仿真实验结果如下：

表1.平均传输速率及丢包数

	下行平均速率(Mb/s)	上行平均速率(Kb/s)	丢包数
				SACK	1.3477	28.5696	22
TP-S(no ECN)	1.7246	3.68426	207
				TP-S(with ECN)	1.7301	2.8576	17

从第一列数据可以看出SACK在2Mb/s的信道上达到了1.3Mb/s的平均传输速率，这已经是一个相当好的成绩了，远远超过目前实用系统中400Kb/s的标准。但TP-S达到了1.7Mb/s的平均速率，使信道平均利用率达到80％以上，这个结果比SACK超出近30％。在第二列上行数据量的对比中，TP-S更是只有SACK的10％左右，这样就在提高下行数据传输速率的同时，极大的减少了对上行信道带宽的要求。

在第三列我们看到TP-S积极的发送策略的一个副作用就是丢包数的急剧增加，与SACK相比几乎增加了10倍。但和明确拥塞控制结合后，丢包问题得到了很好的解决，与SACK相比丢包数还有所减少。

由于TP-S方法需要修改操作系统的协议堆栈，所以只能在源代码公开的Linux和FreeBSD等操作系统上实现。

Claims (1)

1、TP-S卫星信道传输方法，其特征在于，它是在源代码公开的Linux操作系统中实现的，它是在初始化后用状态转移图的形式，用下述状态转移次序达到的：

设定：

启动窗口为4个数据段；

发送窗口为32bit；

使用下述四种数据帧；

发送数据帧FD，它是一个长度可变的数据段，包含需要传输的数据和24倍的序列号以及校验和，未被应答的发送数据帧存放在缓存中，同时保存一个表示该数据帧发送时间的时标；

轮询数据帧POLL，它是周期比向接收端发送的包含这个轮询数据帧POLL的发送的时间和下一个发送上述发送数据帧的序号；

轮询应答数据帧，它是接收端收到轮询数据帧后再向发送端发送的，它包含正确接收的最后一个发送数据帧的序列号，以及所有接收错误，乱序的上述发送数据帧的序列号；

被动应答数据帧NACK，它是在接收端发现传输错误的数据帧的立即向发送端发送的，它包含所发现的所有数据帧序号；

设定网络拥塞的时的拥塞“回缩”是把拥塞窗口减少原值的2/3；

在慢启动阶段，拥塞窗口按指数增长；在拥塞规避阶段，按下述公式以非线性方式增长：

CWND＝CWND+150÷CCWND*CWND；

其中，CWND为拥塞窗口；

网络即将发生拥塞时，采用前向明确拥塞指示FECN，使发送端收到拥塞指示后，采用下述数值的拥塞窗口：

CWND＝CWND÷1.15，其中的CWND慢启动阶段的CWND，即SSTHRESH；

(1)服务器程序调用sosket()函数建立socket，bind()函数绑定socket，Listen()函数监听窗口，进入“监听”状态，等待客户端的连接；

(2)客户端程序的调用socket建立socket后，用connect()函数连接服务点，再向服务点发送传输开始数据包BGN，请求与服务器连接，并进入“发送BGN”状态；

(3)服务器收到BGN数据包后，向客户端发送一个传输开始应答BGNAK数据包，并从“监听”状态进入“建立连接”状态；

(4)客户端在收到BGNAK数据包后，从“发送状态”进入“建立连接”状态开始按以

下方式传输数据：

(4.1)设客户端即发送端连续发送序号从0开始到4的4个FD数据帧，再发送一个POLL数据帧；

(4.2)若服务器接收成功，便发送一个PACK数据帧；

(4.3)若服务器接收失败，便发送一个NACK数据帧，当发送端接收到NACK数据帧后，便向服务端发送所丢失的数据帧；

在传输过程中，拥塞窗口根据拥塞窗口是否小于慢启动门限来判定是慢启动还是拥塞迥避阶段，分时按上述方式来调整拥塞窗口大小；

在传输过程中，即将发生拥塞时，采用上述前面明确拥塞指示FECN方式；

在传输过程中，已经发生拥塞的按上述拥塞窗口“回缩”来调整拥塞窗口大小；

(5)服务器将数据全部发送完毕后，向客户端发送传输结果END数据包；

(6)客户端收到END数据包后，向服务器发送传输结束应答ENDAK数据包，并从“建立连接”状态进入“接收结束”状态；

(7)若客户端程序调用关闭连接close()函数，客户端就会向服务器发送END数据包，表示连接将关闭，并从“接收结束”状态进入“最终应答”状态；

(8)服务器收到END数据包后，进入过渡状态“关闭挂起”后，向客户端发送ENDAK数据包，双方从“最终应答”状态进入“关闭”状态。

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