卫星网络环境下的拥塞控制研究

孙彦东，季振洲，王 晖

（哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 哈尔滨150001）

1 引言

20世纪90年代末期，人们开始对宽带卫星网络产生浓厚兴趣。卫星通信是一种非常先进的通信技术，具有将地球上绝大多数人口聚居区域互联起来的能力。但是在和地面通信网络 （由光纤骨干网络和无线接入网络构成）的竞争中，卫星通信行业却往往处于劣势。主要原因是卫星通信无法提供同光纤骨干网络相同的高带宽以及受到卫星接入的用户数量和成本的制约。

然而，从19世纪末开始，整个卫星通信行业又开始进入新一轮的快速增长期，这主要是基于宽带卫星数据网络的快速发展。有许多投资巨大的宽带卫星通信网络系统正在研制或者即将运行，例如Teledesic系统[1]、SpaceWay系统[2]、Astrolink系统[3]和SkyBridge系统[4]等。这些系统可为不同用户提供各种各样的通信服务，包括互联网应用、宽带多媒体移动通信等。随着卫星通信的发展，对卫星网络中的各种服务提出了新的要求，特别是数据传输的效率、稳定性和公平性等。

网络拥塞控制是网络稳定运行的基础，网络拥塞是指网络所处的一种资源过载状态。资源过载会导致数据丢失率和传输时延增大，如果没有资源预留，过载进而导致提供时间和空间复用的网络效率降低[5，6]。拥塞控制算法是一种分布式算法，是指为多个竞争数据流有效分配网络资源。从Van Jacobson最初提出的TCPTahoe算法[7]到TCP Reno算法[8]和TCPNewReno算法[9]，拥塞控制一直是网络研究的一个热点，研究者们设计出许多拥塞控制算法。传统的拥塞控制都是假设在有线环境下，链路错误率可以忽略，拥塞是数据丢失的惟一原因。但卫星宽带网络相对于传统的网络还具有链路误码率高的特点，数据的丢失可能由此引起。此外，具有长时延特性的宽带卫星网络中（如GEO（geostationary earth orbit）网络的RTT（round trip time）大约为550 ms），由于带宽时延积（带宽和时延的乘积）大，使得拥塞控制在该环境下的应用具有一定的局限性[10~13]。卫星网络还具有链路不对称的特点，表现在双向链路具有不同的带宽、时延和错误率。这些特点都使卫星网络区别于传统意义上的网络，因此需要对卫星网络下的拥塞控制进行重新的审视，最近几年，研究者们陆续提出一些改进算法，但并没有形成标准的算法，因此，卫星网络下的拥塞控制问题仍需要进一步的研究。

2 卫星网络特点对拥塞控制的影响

卫星网络覆盖面广，能够提供一种“无处不在”的接入方式，不需要建设基础设施就能够使分散的各个区域相互通信或者接入Internet，同时还能够在发生自然灾害等情况下提供应急通信。因此，其巨大的潜力吸引了卫星和网络方面的学者们致力于提高TCP，特别是拥塞控制算法在卫星网络中的性能。卫星网络的固有特点对拥塞控制产生了严重的影响，这些特点也是设计拥塞控制算法的重要参考。

2.1 高时延

TCP是一种确认信息驱动的协议，确认信息的连续性、及时性对实施拥塞控制、保证数据流的畅通是很重要的。卫星网络的高时延特性对拥塞控制的性能产生了一定的影响，首先，高时延使得拥塞控制的慢启动过程所需时间延长[14]。TCP的发送端通过调整发送窗口来改变发送速率，当拥塞控制进入慢启动过程时，发送窗口每经过一个RTT时间它的值增加一倍，直到达到预设的阈值——链路的带宽时延积，由于卫星网络中的时延较大，其带宽时延积也较大。同时，TCP一般采用累积确认选项，当接收一定数量的数据包之后，接收端才发送确认信息，这样减缓了确认信息的发送频率，如果在一个窗口中有多个数据包丢失，吞吐量会迅速下降。综上，卫星宽带网络的慢启动过程所需时间较长，特别是传输如Web这样的短流时，在发送窗口未达到阈值时，数据已经传送完毕，导致网络利用率降低。其次，在拥塞避免过程中，发送窗口每经过一个RTT时间它的值增加一个数据包，增长速度更缓慢。最后，具有高RTT的连接同具有低RTT的连接共享同一条瓶颈链路时，由于前者窗口增加速度低于后者，获得的可用带宽也较低，产生了不公平。

2.2 高链路误码率

TCP拥塞控制假设数据包的丢失是由于瓶颈链路的队列溢出引起的，而像链路误码或者其他错误等这样的原因是很少的，因此，TCP拥塞控制把数据包的丢失作为网络发生拥塞的标志，进而采取相应的调节机制。这个假设在有线网络中是成立的，但在无线网络特别是卫星网络中就不再成立。在卫星网络中，由于天气，无线信号干扰、衰减等原因，链路误码率远远高于有线网络[15]。由于传统的TCP拥塞控制机制没有区分数据包丢失的原因就实施拥塞控制，即使是一个“误报”数据包丢失，网络也需要重新进入慢启动和拥塞避免阶段，严重影响了网络性能。

2.3 链路不对称

由于发射功率和天线尺寸的限制，卫星网络的双向链路往往不对称，可能具有不同的带宽、误码率和时延。对于GEO来说，情况更是如此，考虑到通信成本，用于数据传输的卫星链路传输距离较长，需要较大的发射功率，反向链路可能通过速率较低的电话线路传输确认信息[16]。对于TCP的拥塞控制机制，连续的确认信息对于发送端持续发送新数据是重要的，当前向链路数据发送速率提高，反向链路确认信息就会增加，由于反向链路带宽较低，就可能造成确认信息出现时延或者丢失，势必影响前向链路的速率和拥塞控制的性能。

正是由于卫星网络的这些特点，应用于传统网络的拥塞控制算法不能够直接应用于该网络环境。近年来，研究者们陆续提出改进的拥塞控制算法和新拥塞控制算法，这些算法如果按照实现方式可以划分为两类：基于窗口算法如SCTP[17]、TCPW[18]、TCP Peach[19]和基于 速率算法 如TCP Vegas[20]、STP[21]、SCPS-TP[22]。基于窗口算法就是发送端根据接收到的反馈信息来调整拥塞窗口，进而改变向网络发送的数据量，从而达到拥塞控制的目的，TCP协议就采用此种算法，以AIMD（additive increase multiplicative decrease）形式进行拥塞控制；基于速率算法是根据端系统的测量值或者来自网络的反馈信息直接对发送速率进行调整，同样达到拥塞控制的目的。前者采用的是一种突发数据传输方式，后者则采用的是较为平缓的方式[23]。按照实现形式可以划分为两类：显式拥塞控制如ECN[24]和隐式拥塞控制如TCPNewReno[9]、TCPW[18]等，两者区别在于是否存在通知端系统网络有无拥塞发生。按照实现的位置可以分为3类：端到端算法TCPNewReno[8]、TCPVegas[18]，链路算法[25]和端系统与链路结合算法，如在参考文献[26]中提到的一种协同式的拥塞控制算法。同有线网络环境下的拥塞控制算法类似，只是3类算法针对卫星网络环境的特点做了一些改进或重新设计。

3 卫星网络拥塞控制算法及研究

鉴于卫星网络拥塞控制算法分类并不严格，一些算法所属不同分类，因此本节围绕卫星网络的主要特点介绍卫星网络拥塞控制算法的现状、发展及研究热点。

3.1 针对高带宽时延积的拥塞控制算法

（1）增加初始窗口[24]

为了减少慢启动阶段所需时间，可以增大初始窗口值，实验表明，拥塞窗口值从1增加到Min[4 MSS，Max（2 MSS，4 380 byte）]，其中MSS为最大TCP分组。 这样，在第一个RTT就会发送更多的分组，就会产生更多的确认信息，拥塞窗口增加更快。此外，把初始窗口的值设置至少为2，第一个分组就不需等待时延确认计时器超时。因此，和拥塞窗口初始值为1相比，至少可以节省3×RTT和一个时延确认超时的时间。参考文献[27]和[28]表明，在卫星网络中增加初始窗口值确实能够缩短慢启动阶段所需时间，减少网页的传输时间。但这种方法也增加了发送数据的突发性，如果网络已经存在拥塞，那么增大窗口就会加剧拥塞。

（2）XCP（explicit control protocol）[29]

XCP协议需要在端系统和路由器上实现，主要是利用ECN反馈信息，而不是让发送端去探测网络可用带宽。XCP把拥塞控制和带宽分配分离开来，这样，可以把带宽分配给单独的数据流而无需担心数据包丢失和可用带宽利用问题[30]。为了获得公平带宽分配、高带宽利用率、零数据丢失，需要在路由器中实现ECN和效率控制器（efficiency controller，EC）和公平控制器（fairness controller，FC）。XCP虽然克服了高带宽的时延问题，但高BER和带宽不对称仍旧影响XCP的性能，为此，参考文献[31]提出P-XCP协议。

（3）VCP（variable-structure congestion-control protocol）[32]

VCP定义了3个拥塞域：低负载、高负载和过载，在这3个域中采用MIAIMD（multiplicative-increase,additiveincrease,and multiplicative-decrease）策略进行拥塞控制。VCP利用ECN位中的两位，以一种显式方式指示网络所处的拥塞程度。VCP能够获得高链路利用率、低持续队列长度、可以忽略的数据丢失率和一定的公平性，但其也存在一些缺点，如当存在链路错误时，VCP就会产生振荡；收敛速度较慢以及拥塞反馈信息不足时公平性较差等。

（4）SACK（selective acknowledgement）[33]及其应用

SACK使TCP只重新发送丢失的包，不需发送后续所有的包，而且提供相应机制通知发送方数据的接收情况，因此可以在一个RTT中重传所有丢失的数据，提高传输效率。基于SACK，FACK（forward ACK）[34，24]利用TCP SACK选项收集拥塞状态信息，在丢失分组恢复阶段加入了更加精确的控制来调整数据发送速率。FACK把拥塞控制和数据恢复分开，提供一种简单、直接的方法应用SACK选项提高拥塞控制性能。SCPS-TP采用的SNACK（selective negative ACK） 是SACK和NAK（negative acknowledgement）的结合，能够报告多个窗口中的多个分组丢失，这对于高时延网络尤为重要[35]。

（5）Fast Start[35]

基本思想就是应用缓存信息（如拥塞窗口、慢启动门限、RTT等）减少TCP慢启动阶段探测带宽的开销，有效地减少了时延，特别适用于断流传输。Fast Start算法由发送端算法和路由器算法组成。其中发送端算法包含4个部分：Fast Start阶段开始和终止，TCP状态变量初始化，在第一个RTT应用计时器记录数据包，快速检测失败Fast Start和快速恢复。路由器算法就是采用包优先级丢弃策略，Fast Start数据包标记为低优先级，这样当需要丢弃数据包时，不会影响到其他的连接的数据包。这种机制不需要维护每个连接的信息，能够很好应用于采用Drop Tail和RED的路由器。模拟实验表明Fast Start有效减少了文件传输时间[35]，然而Fast Start只能应用于发送端能够获得相同路径上最近拥塞窗口值的情况[36，19]。

（6）TCP-Peach[19]

主要是针对高带宽时延和高BER网络，修改了TCP拥塞控制中的慢启动和快速恢复，取而代之为突然启动和迅速恢复。在连接建立开始时，采用基于“哑元”的慢启动算法。“哑元”不携带任何信息，具有较低的优先级，用于探测网络可用带宽。在突然启动阶段，发送端发送一个数据分组和rwnd-1个 “哑元”，rwnd是接收端的最大接收窗口值。突然启动阶段持续一个RTT，然后进入拥塞避免阶段。拥塞避免阶段，发送端每收到一个对于“哑元”的确认信息，拥塞窗口就增加1[18]。迅速恢复算法旨在解决链路错误引起的吞吐量下降的问题。在哑元没有收到应答时不增加发送窗口的大小，以此来牵制发送窗口的增加。而当收到对于哑元的应答时，又可以根据哑元的应答来增加发送窗口，使得发送窗口能在较短的时间内恢复到原来的大小。基于Sudden Start，TCP-Peach+[37]提出Jump Start算法，其不再使用“哑元”，而是NIL分组。NIL分组携带未确认信息，不但能够探测网络资源，而且能够恢复丢失分组。此外，参考文献[38]提出结合增大初始拥塞窗口值[24]和突然启动的机制。

（7）REFWA（recursive，explicit，and fair window adjustment）[39]

REFWA是针对多跳卫星群通信的一种有效、公平的TCP控制机制。其拥塞控制的基本思想是把所有共享瓶颈链路的TCP连接的窗口值和网络的容量进行匹配，提高网络的有效性。其利用连接的跳数估计RTT，然后把具有相同RTT的连接划分为组，再把可用带宽按照RTT权重进行分配，提高网络的公平性。每一个连接分配的带宽以一种反馈信息的形式通知发送端，这个反馈信息存储在ACK数据包头部的RWND（receiver’s advertised window）域中，发送端根据该信息调整发送速率。尽管REFWA获得了很好的性能，但其没有考虑卫星链路的高误码率的情况。

3.2 针对链路误码的拥塞控制算法

针对卫星链路的高误码率特点，可以从网络的不同层次入手，如在数据链路层采用前向链路纠错和自动重传机制，这里主要讨论拥塞控制算法采用的机制。

（1）ECN（explicit congestion notification）[24]

ECN是最早提出的显式控制方式，后来许多的机制都基于此。其应用IP数据包头部的两位——ECT和CE携带信息指示数据流是否支持ECN，网络是否存在拥塞；应用TCP头部的两位——ECE和CWR通知发送端拥塞状态和接收端是否缩小窗口，如图1[40]所示。ECN的工作需要TCP端系统和路由器相互协作，具体过程如图2[40]所示。目前为止，有两种ECN形式，BECN（backward ECN）[41]和FECN（forward ECN）。BECN比ECN快速得多，因为在发送端对拥塞信号做出反应前，拥塞信号不需经过一个RTT。因此，BECN很大程度上减少了数据传输时延、时延变化和由缓冲区溢出而产生的数据丢失等。这种显式的控制方式在某种程度上能够解决卫星链路误码率高的缺点，因此许多拥塞控制算法都基于这种控制机制，如XCP、RCP等。

（2）STP[21]

STP协议是一种基于端到端探测的能够适应卫星信道单一错误的机制，采用基于速率的拥塞控制方法，没有数据包丢失原因判断机制。XSTP[42]是在STP的基础上增加了一种错误判断机制，该机制是基于端到端的探测机制，是通过测量探测前后的RTT值来判断数据丢失原因。如果是拥塞引起的，那么拥塞窗口减小，拥塞控制机制启动。反之，这两种机制都不启动。其缺点就是引入的开销较大。

（3）TCPWestwood[18]

TCPW是比较适合应用于易失网络，其最大特点是只需在发送端改进TCP算法，不需要中间节点监测和截取TCP分组。发送端通过监测ACK的接收速率来估计网络可用带宽，当数据丢失和传输超时，估计值还可用来设置拥塞窗口和慢启动门限。尽管TCPW在高数据丢失情况下具有良好的性能，但其并没有克服长时延带来的影响。

（4）TCP-STAR[43]

TCP-STAR协议采用3种机制，分别为CWS（congestion window setting）、LWC（lift window control）和AEN（acknowledgement error notification）。CWS能够避免由于链路错误而产生的数据丢失所造成的传输速率下降，LWC能够根据估计的带宽迅速增加拥塞窗口，AEN能够避免由于确认信息时延或者丢失而引起的误重传所造成的吞吐量下降。

（5）REFWA Plus[44]

其扩展了REFWA，通过比较最新的和旧的反馈信息来判断数据丢失的原因。由拥塞引起的数据丢失通常伴随着计算的带宽反馈的下降，而有链路错误引起的数据丢失伴随着计算的带宽反馈的上升或者维持原值。尽管REFWA Plus解决了数据丢失原因判断的问题，但实验表明其精度还有待提高。

（6）TP-Satellite[45]

其包含4个过程：超级启动、拥塞避免、丢失区分和拥塞恢复。其中在丢失区分阶段利用定期发送具有高低优先级标记的数据包（M-NACK数据包）来区分数据丢失的原因，拥塞发生时，路由器首先丢弃低优先级的数据包；发生链路错误时，随机丢弃。如果网络发生拥塞，程度较轻时，丢失的数据包数等于丢失的低优先级数据包数；程度较重时，丢失的数据包数大于拥塞窗口的一半。如果发生链路错误，高低优先级数据包具有相同的丢失概率。

3.3 其他典型算法

（1)TCPVegas[20]

TCP-Vegas采用一种巧妙的带宽估计策略，根据期望的流量速率与实际速率的差来估计网络瓶颈处的可用带宽。TCP-Vegas对TCPReno主要做了3个方面的改进，分别是快速重传机制、拥塞避免阶段和慢启动阶段，其能够获得更高的吞吐量、带宽利用率，较低的丢包率和队列长度，对于不同传输时延的数据流的良好公平性和服务质量。但是随着负载的增加和路由器缓存的减小，TCP-Vegas的性能会逐渐变差，其效果下降与Reno相似。

（2）SCPS-TP（space communications protocol standardstransport protocol）[22]

SCPS-TP采用3种方法解决由于链路错误而造成的数据丢失问题：显式错误响应，SNACK选项和错误容忍的端到端头部压缩机制。SCPS-TP采用了基于TCPVegas的拥塞控制机制，同时还采用了扩展TCP计时器和Window Scaling选项克服长时延来提高链路利用率。

（3）TP-Planet（transport protocol for interplanetary Internet）[46]

采用一种基于速率的AIMD拥塞控制机制，包含两种新的算法：Initial State和Steady State。Initial State由Immediate Start和Follow-Up两个过程组成，取代了慢启动算法。Steady State算法包含4种状态：Hold Rate、Decrease Rate、Increase Rate和Blackout，根据接收得到的反馈信息调整速率。TP-Planet还采用时延SACK来解决带宽不对称的问题[47]。

（4）AVQRED（adaptive virtual queue random early detection）[25]

AVQRED通过构造虚拟队列，然后在接收队列中进行监测和标记来解决异步队列行为；采用RED算法的早丢弃措施来解决全局同步问题。

3.4 研究热点

卫星网络拥塞算法的设计目前还是主要集中在对TCP协议的修改上，也有一小部分探索显式控制方式和基于控制论、模糊逻辑的方法。作为一个相对较新的环境，拥塞控制的研究热点可以归纳如下。

·为了消除高时延对拥塞控制带来的负面影响，对拥塞控制算法进行改进或者重新设计。其中包括采用基于速率控制的拥塞控制算法，不依赖窗口调节来改变发送速率；重新设计拥塞控制结构，采用类似PEP（performance enhancing proxies）[48]的思想，对链路进行重新划分。

·在卫星网络中由链路错误造成的数据丢失还是很普遍的，因此如果设计拥塞控制算法时涉及到数据丢失，那么就必须考虑链路错误，其研究集中在两个方面：链路错误的发现机制，能够准确判断造成数据丢失的原因；响应机制，网络节点能够根据发现机制的结果做出正确、及时的响应。

·AQM作为传统网络的拥塞控制算法已经很成熟，但在卫星网络中的研究还处于初级阶段，因此，研究AQM算法在卫星网络环境下的性能及改进机制将是今后研究的重点。同时，也可进一步探索采用反馈控制、模糊逻辑等辅助措施实现AQM算法的准确性和快速收敛性。

4 结束语

卫星网络的特性为传统拥塞控制算法在该环境下的性能造成了负面影响，为此，近期，研究者们提出了一些改进的拥塞控制算法，这些算法主要包括两个方面：TCP拥塞控制的改进；基于反馈信息的显式控制机制。本文围绕卫星网络的特性，分别从算法的实现原理、优点和缺点等方面对卫星网络拥塞控制算法进行了全面的介绍，最后提出了一些研究热点。

随着网络异构性和复杂度的增加，为了网络运行稳定，我们需要从利用率、公平性、稳定性和收敛速度等多个方面综合设计网络拥塞控制算法。最近有研究者尝试把模糊控制、博弈论应用于卫星网络拥塞控制算法的设计，为拥塞控制研究开辟了新的思路。未来的卫星网络拥塞控制需要从理论和实验两方面进行深入研究，建立一个符合该环境的网络模型。

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