SCPS-TP协议在卫星通信系统中的应用研究

陈明玉，程子敬

（北京卫星信息工程研究所 北京 100086）

卫星通信具有覆盖面广、可扩展性强、用户接入方便和不受地域条件限制等优点，是地面光纤难以铺设或人口稀疏等偏远地区进行长距离宽带网络接入的一种重要补充手段。然而传统基于地面因特网的传输层协议TCP用在具有长传输时延、高丢包率、非对称带宽、间歇性连接等特性的卫星链路中，其性能大打折扣。减小卫星链路时延影响，解决与地面网的互通问题，提高链路传输速率，是卫星通信必须解决问题，因此各种加速方法尤其是传输层加速技术得到广泛研究。针对卫星链路应用先后提出了多种改进型TCP协议或策略， 如 SACK、TCP Hybla、TCPW、TCP Vegas以及最新发展的SCPS协议。这些改进型协议在某些方面均有一定的性能提高[1]，但对于卫星链路应用还有待进一步改善，以达到性能的全面提升。

1 SCPS协议应用研究

1.1 SCPS协议用于卫星通信系统

空间通信协议规范SCPS（Space Communication Protocol Standards）主要用于空间多颗卫星、空间实验室及地面射频终端等组成的空间互联网的星与星或星与地之间的通信[2]。SCPS协议以TCP/IP协议为模型，包含网络协议、安全协议、传输协议及文件协议，尤其是传输协议SCPS-TP（SCPSTransport Protocol）最为重要。SCPS-TP是在TCP协议基础上，针对空间链路往返时延可变、带宽不对称、间歇性连接等特点，作的相应修改和扩展，从而为空间通信网络提供端到端的数据传输，以适应当前和未来的空间任务需求。

卫星通信是地面通信双方的源端与目的端之间，以通信卫星作为传输和转发中介的一种通信方式。将源端网关和目的端网关分别看作空间互联网的2个节点时，则与其通信的卫星作为第3个节点构成的网络，也适合使用空间互联网协议SCPS。 本文基于此对SCPS协议簇传输层协议SCPS-TP在GEO同步轨道卫星通信系统中的应用进行了研究，并提出了改进型拥塞控制策略。

1.2 SCPS-TP协议拥塞控制方法

SCPS-TP对于空间链路应用采取了非常多的有效措施，如SNACK策略、TP包头压缩、丢包时区分链路降质原因[3]，但是其拥塞控制策略还未达到最好的传输性能。SCPS-TP协议的拥塞控制方式有Van Jacobson（简称VJ）和Vegas两种。VJ方式是基于传统TCP协议的拥塞控制方法，在慢启动阶段发送窗口呈现指数增长，即源端每收到一个新的ACK则cwnd（拥塞窗口，Congestion Window）增 1；每经过 1个往返时延RTT（Round Trip Time）窗口增大1倍；拥塞避免阶段cwnd为线性增长，每经过1个RTT拥塞窗口增1；一旦出现丢包就认为发生拥塞，窗口降回初始值，重新进入慢启动。Vegas方式则是准确计算传输时延RTT并以期望吞吐量与实际吞吐量差值（Δ）来区分链路带宽使用情况的改进型拥塞控制方法，在拥塞避免阶段如果链路带宽应用不够充分，即Δ＜α，则每收到一个新的ACK窗口增1，若链路带宽得到较为充分应用，即Δ＞β，则每收到一个新的ACK窗口减1，否则窗口保持不变。研究结论表明Vegas控制策略较VJ能取得更好性能[4－5]。

2 改进型Vegas拥塞控制策略

2.1 改进策略的思想

Vegas拥塞控制策略[6]的cwnd增加方法在大时延空间链路上显得保守缓慢，其探测带宽的灵敏性使得它较早地对网络状况作出响应，从而过早结束慢启动进入拥塞避免阶段，极大降低平均吞吐量。而Hybla拥塞控制策略在慢启动阶段cwnd增长方式不受长RTT的影响，链路cwnd能在较短时间内增大到合适的大小，在卫星通信链路仍能保持较高的平均吞吐量，但是Hybla窗口增大的同时也增加了丢包发生的几率[7]。

本文在综合考虑Vegas和Hybla及相关改进型TCP的拥塞控制策略优点的基础上，提出新的用于卫星通信链路的拥塞控制策略，称之为Veghy策略。Veghy策略在慢启动阶段，cwnd借鉴Hybla协议按比例因子ρ的方式增加；而在拥塞避免阶段同Vegas方法，根据测得的RTT值并利用α和β判断链路带宽利用情况，从而控制cwnd的增或减，Δ＜α时cwnd增1，Δ＞β时cwnd减1，否则cwnd保持不变；当链路发生（多个）包丢失或超时的情况时，cwnd不再是对半减小，而是减小1/4，再根据反馈情况来决定是否依据链路带宽利用情况来增加cwnd。最终Veghy策略可以同Vegas一起成为SCPS－TP协议拥塞控制策略的选项之一，从而用于进一步提高空间通信链路的传输速率。

2.2 实现伪代码

实现Veghy策略的伪代码如下：

其中i表示收到第i个ACK，Δ为期望传输速率与实际传输速率之差，α和β为选定的值，一般α和β取值分别为1，3和2，4，比例因子ρ为实际RTT与基准值RTT0的比值，ρ=RTT/RTT0，一般 RTT0取值为 25 ms。

2.3 优势分析

从理论上分析，Veghy方法相比于其他加速方法，有如下优势：首先Veghy应用基于SCPS－TP协议，其继承了SCPSTP非常有利的因素，比如SNACK，TP包头压缩技术，更重要的是SCPS－TP区分丢包原因，因而，Veghy必定是在由于链路发生拥塞时才采取降低拥塞窗口的措施。其次，Veghy借鉴了TCP Hybla的窗口增长方式，对于长RTT的情况能快速将窗口增大到合适的值，有效地减少慢启动阶段所需要的时间，提高了链路的平均吞吐量。最后，Veghy拥塞控制方法基于Vegas策略的区分链路带宽利用情况，利用率低时窗口增长快，反之增长慢，当利用趋于超载时减小拥塞窗口。当将Veghy策略选择作为SCPS－TP的拥塞控制方法时，新的SCPS－TP协议基本集成了目前多种方法的优势因素。

3 NS2仿真及其结果分析

3.1 仿真参数设置

NS2是目前较为广泛使用的一种网络仿真软件，支持多种版本的TCP协议，如TCP Vegas、TCP NewReno等，而且方便扩展[8]。本文将Veghy策略用于TCP协议中对其在GEO卫星链路上的使用性能进行仿真。仿真网络由1个地面源端点、1个地面目的端点及1颗作为转发路由的GEO同步轨道通信卫星3个节点组成。GEO卫星链路往返传播时延为480 ms，再加CPU处理延时及缓存队列排队延时等，共约540 ms。其他NS2网络仿真参数包括网络接口栈参数设置如表1所示。

3.2 仿真结果

NS2仿真中可以设置误码模块的丢包率或误码率。在设置丢包率为2%情况下，Veghy策略与Vegas和NewReno拥塞窗口和吞吐量的对比结果分别如图1和图2所示，仿真时间为200 s。图3为链路在不同丢包率情况下仿真200 s时的平均吞吐量的对比结果。

3.3 仿真结果分析

从图1和图2来看，Veghy策略能在更短时间内将拥塞窗口增大到合适的值，使得平均吞吐量更快达到较大值，其拥塞窗口最高值较Vegas高，平均值比Vegas略高，最终Veghy平均吞吐量约150 pkts，较Vegas策略约130 pkts的吞吐量有15%的提高，较NewReno策略约100 pkts的吞吐量有近50%的提高。从图3结果看，不管是在较高或是较低丢包率情况下，Veghy策略的平均吞吐量均较Vegas和NewReno有较大提高，表明Veghy策略更适合于卫星链路。

4 结 论

用于空间互联网通信的SCPS协议经过合理的应用设计，在卫星通信系统中也是适用的。基于传输层SCPS-TP协议所采用的Vegas拥塞控制策略的Veghy策略，在慢启动阶段借鉴了Hybla方法的窗口增长方法，拥塞窗口不受长RTT的影响，能快速增长到一个较大的合适值，随后大部分时间内，处于拥塞避免阶段，并且在快速恢复/快速重传阶段，拥塞窗口减少1/4而不是1/2，使得拥塞窗口平均值较高，因而其吞吐量性能得到了一定的提高，在GEO卫星通信系统的仿真应用中取得了较好的效果。

表1 GEO卫星链路的NS2仿真参数设置Tab.1 Settings of NS2 simulation parameters in GEO satellite link

图2 GEO链路上平均吞吐量变化情况对比Fig.2 Comparison of average throughput on GEO link

图3 GEO链路上吞吐量受丢包率的影响Fig.3 Comparison of packet loss affection on GEO link

[1]Caini C，Firrincieli R.End-to-end TCP enhancements performance on satellite links[C]//Proceedings of the 11th IEEE Symposium on Computers and Communications （ISCC'06），2006:1031-1036.

[2]The Consultative Committee for Space Data Systems.CCSDS 710.0-G-0.4. Space communication protocol standards（SCPS）:rational，requirements and application notes[S].Green Book，Draft 0.4.N/A:CCSDS，1998.

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[7]Caini C，Firrincieli R.TCP Hybla:a TCP enhancement for heterogeneous networks[J].International Journal of Satellite Communications and Networking， 2004（22）:547–566.

[8]Fall K，Varadhan K.Nsnam web pages-The ns manual[EB/OL].（2000-08-24）[2010-01-10].http://www.isi.edu/nsnam/.