基于卫星信道的TCP/IP传输性能研究

段晓明，王 莹，周 凯

（国家新闻出版广电总局无线电台管理局，北京 100866）

基于卫星信道的TCP/IP传输性能研究

段晓明，王 莹，周 凯

（国家新闻出版广电总局无线电台管理局，北京 100866）

本文通过介绍卫星传输以及TCP/IP传输协议的各自优势，对两者相结合的TCP/IP over SatN et通信方式存在的链路时延过长以及误码率过高等问题进行了分析，并从TCP算法层和链路层分别寻求了多种解决方案，使得Internet通过卫星传输能够较好发挥优势。

卫星通信；TCP/IP拥塞；协议欺骗

1 引言

随着全球In ternet网业务的蓬勃发展，特别是人们对集数据、语音和视频等于一体的多媒体业务的需求迅速增长，导致基于IP协议的业务需求量急剧上升。尽管地面通信网络正在迅速发展，但卫星通信网也在大区域高速网络建设、远程医疗、远程教育、远程可视通信、应急通信等领域获得广泛应用。TCP/IP协议是目前应用最广泛的Internet通信协议，具有算法成熟、可移植性好等诸多优点，但是，TCP/IP协议在卫星通信系统中应用也面临许多技术问题，主要集中在TCP作为传输控制协议在链路误码率（BER）较高、时延比较大特性下以及需要引入拥塞控制时，使得卫星通信采用TCP/IP协议通信时某些性能的局限性日渐显露。

2 影响分析

（1）链路误码率（BER）。在Internet网中，卫星链路比地面链路有更高的BER。在没有纠错控制编码的情况下，卫星链路典型的BER大约是10-6，然而，TCP成功传输所需要的BER大约是10-8数量级或更低，地面链路的BER相对较低。大多数情况下，当高BER造成数据分组丢失时，TCP层认为是出现了拥塞故障，并自动采取拥塞控制，这样就降低了数据吞吐量。

（2）往返时间（RTT）。往返时间是指发送一个TCP信息段到接收到相应的ACK信号所经历的时间间隔。对于对地静止轨道（GEO）卫星，往返路径是指从地面站经卫星到地面站，然后由地面站经卫星最后再返回到地面站的路径。从地面站到卫星的距离是40000km左右，那么往返路径就为4×40000=160000km，传输时延为160000/c=0.532s（c为光速3×105km/s），这里只是空间传播时延。整个来回时间还必须考虑地面电路传输时延和信号处理时延，考虑计算中的量级，在这里RTT取值为0.56s。TCP层的发送方要收到ACK信号必须等待一个RTT的时长，只有收到ACK后它才能发送新的信息段，这样将会降低吞吐量。可计算TCP业务的吞吐量（即传输速率）：RTCP=WS/RTT，RTCP为最大TCP业务速率，WS为TCP业务接收窗口尺寸。TCP业务窗口实际在8kb到64kb，其最大数据传输速率为64k×8/560=0.94Mb/s，理论上卫星信道的发送速率大于0.94Mb/s，但用户实际可以获取的最大速率不会超过0.94Mb/s，这是TCP的工作机理所形成的。

TCP在拥塞控制方面有两种策略：慢启动算法和拥塞避免算法

（1）慢启动算法。在TCP协议中，为避免在通信开始就可能造成拥塞，采取慢启动策略，在RFC2414中慢启动算法的初始窗口值定为1，慢启动的时间为：RTT×lbWt，其中，Wt是建立连接开始时设置的慢启动门限。根据网络统计的结果，慢启动门限的初始值为64By te。在卫星通信系统中使用TCP/IP协议时，慢自动时间为3.5s左右，远远大于地面线路系统中使用的TCP/IP时的启动时间。当发送端窗口大于慢启动门限窗口时，就进入了拥塞避免算法工作过程，窗口尺寸增加的速度会十分缓慢，在相当长的时间内，卫星通信系统在低于峰值速率的情况下，如果通信中产生错误，要重新传送数据包，就更难以在峰值速率下工作。

（2）拥塞避免算法。一旦拥塞现象出现，发送端的拥塞控制窗口减少为一半（至少减少2个基本长度的数据包）。按照TCP协议规定，当拥塞控制窗口的尺寸为N时，如果发生拥塞，拥塞窗口尺寸变为N/2，要把拥塞窗口恢复到N，必须在收端连续收到N/2个正确的数据包，在卫星通信系统中，延时比较大、信道质量比较差，当拥塞出现时，随着窗口尺寸不断下降，系统通信效率会随之进一步恶化。

3 措施与办法

针对影响TCP业务传输因素，进行针对性的分析可以得知，要改善TCP传输性能有以下几种措施：

一是修改TCP/IP协议栈结构，加大发送窗口尺寸，调整发送数据包长，从而提高传输效率。

二是采用TCP SACK数据应答算法和NACK否定应答算法，SACK算法使接收方能够有选择地示意哪个数据块没有收到，允许接收方仅精确重传遗漏的分组，从而有效较低不必要的重传。

三是改进TCP的拥塞控制策略，采用快速重传和快速回复算法，TCP在发送端根据重复确认的返回情况来检查和修补数据丢失，快速重传算法在连续收到3个相同的确认后，就认为数据发生丢失，不等待数据传输计数器超时结果，TCP立即进行重发，同时将窗口减半，慢启动串口门限设置为减小后的窗口大小，当发送端收到一个新的确认信息后，将拥塞窗口大小设置为慢启动门限，同时转入拥塞避免。在快速重传算法重新发送被认为是丢失的数据时，快速回复算法控制着新数据仍不断地发送，直到新数据产生错误。NACK算法出于减少数据传输的目的，在确认段中指出第一个未能正确传输的数据的地址和长度，让发送端重新发送。

四是将TCP协议报头压缩，当采用TCP协议传输时，TCP头部诸多信息是不变或者变化比较小或者可以从其他途径获取，如目的地址和源地址是不变的，而报文长度又可以从链路层帧长度获得，采用这种方式能有效提高传输效率。

五是使用可靠链路层协议，卫星传输中，一般采用FEC（前向纠错）或者ARQ（自动重发请求）的差错控制方式来降低系统链路的BER，减少链路的拥塞故障。

上述的各种方法只是在TCP局部进行改善，从卫星通信的角度来看，TCP/IP overSatNet还要在卫星通信系统做大量的工作。目前比较流行的做法是采用协议欺骗（Protocol Spoofing）方式，在卫星通信网中在地面网和卫星通信节点间加装协议欺骗网关，该网关起到欺骗器（Spoo fer）的作用，Spoofer截取、缓存和确认来自源主机的数据，再将数据发送到目的主机，在卫星信道传输中采用协议欺骗方式，充分利用卫星信道的特性、本身固有的工作体制、信道管理体制，提高了通信效率。

4 卫星通信系统中的协议欺骗

卫星通信系统的协议欺骗主要从以下几个方面进行：

（1）虚拟目的的终端。在局域网络互联时，协议欺骗系统对本地网络内部用户同其他网络终端或服务器通信起到虚拟终端的作用，Spoo fer网关会发送一个Spoofing ACK信息来代替从目的主机发送过来的实际ACK信息，从而减少额ACK信息的回传消耗时间，同时也节约了卫星信道资源，本地网终端TCP部分的各种应答由卫星节点代替。

（2）重传和确认机制。卫星通信中，采用SSCOP协议中提出的选择确认机制，随着信道速率和网络节点分配情况的不同，在卫星信道上定义发送端发送N个帧后，对于其中产生的错误帧编号，由接收端返回，发送端只发送该帧，降低了不必要的重传，大大缩短拥塞控制的回复时间，降低重传对卫星信道的冲击。

（3）路由优化。TCP/IP在通信过程中，须花大量的时间用于路径搜索，在卫星为主干链路的网络互联中，每一个节点的网关和路由器的IP地址是固定的，协议欺骗系统在取得几点网关IP地址外，还记录每个节点内部网络段地址，在IP通信分配信道资源时，可以根据IP数据包的目标地址通过内部ID方式建立通信，大大节省了路径搜索时间。

（4）信道质量检测。卫星通信易受天气、其他无线电通信系统干扰，信道质量会发生变化影响数据通信效率。协议欺骗系统能够通过卫星通信网网管信道质量信息，进行窗口尺寸和拥塞控制，避免恶劣的拥塞现象出现。

5 结束语

卫星通信拥有诸多优点，特别是在某些领域的强大竞争力以及Internet迅猛发展和普及，传统的地面网络TCP错误控制主要以网络拥塞丢包为主，而忽略了链路传输错误等问题，而卫星传输则是一个空间自由链路通信，链路错误产生的丢包时典型的错误特征，要使TCP/IP与卫星通信紧密结合，可采用本文上述的诸多措施和办法从对传输中提高探测包丢失的能力，根据不同的错误采用相适应的错误恢复策略和动态调整发送端数据的发送速率等方面进行改进，从而提高TCP的传输效率，这对宝贵的卫星信道资源来说是非常重要的，对于Internet通过卫星传输具有非常重要的意义。

从亚洲五号上看4K高清FIFA世界杯

近日，亚洲五号卫星为欧洲广播联盟（简称EBU）直播世界杯六十四场高清赛事以及提供4K超高清电视信号传送。4K信号的赛事现场直播分别于6月28日（十六强赛）、7月4日（四强决赛）和7月13日（总决赛）提供。亚洲五号卫星是亚洲最受欢迎的体育内容电视节目传送平台之一，亚洲系列卫星资源为世界上三分之二的人口提供广播及通信服务，现转播450多套电视及广播频道，为超过7.1亿户家庭提供多项电视服务。EBU 网络总监Graham Warren表示，亚洲卫星一直是我们长期的合作伙伴，帮助我们传送高质量的体育赛事，服务在亚太地区持有合法播放权的广播机构。我们很高兴能够进一步与亚洲卫星合作，共同为FIFA世界杯这一体育盛事做4K的现场直播。亚洲卫星行政总裁魏义军表示，我们很高兴与EBU携手为2014年世界杯传送高清电视信号，更荣幸获得EBU选用，以4K超高清格式直播这场全球性的体育盛会，在广播界中走在最前线。

欧洲广播联盟（European Broad casting Union, EBU）是全球最大的公共服务媒体机构协会，会员来自欧洲及其他地区56个国家，其成立宗旨在维护公共服务媒体之权益，并促进他们对现代社会作出贡献，是业内技术和专业知识的参考指针。EBU营运业界知名的内容分销及生产商——Eurovision，为媒体提供高质量的体育、新闻、娱乐、文化和音乐内容。Eurovision 是全球大规模和高可靠的卫星及光纤网络，能提供直接接入至世界各地的公共服务媒体。在4K图像“大数据”时代，卫星传输无疑是拉动广播电视发展的强有力的临门一脚。从亚洲五号看FIFA世界杯，看得更清，才是真正的巴西激情！

Research on Transmission Per formance of TCP/IP based on Satellite Channel

Duan Xiaoming, Wang Ying, Zhou Kai
(The State Press and publication Radio Management Bureau of SARFT, Beijing, 100866)

This paper introduces the advantages of satellite transmission and TCP/IP transmission protocol, TCP/IP over SatNet communication mode is a combination of the two link delay is too long and too high bit error rate is analyzed, and the algorithm of TCP layer and link layer respectively for a variety of solutions, the Internet transmitted via satellite to play better advantage.

satellite communication; TCP/IP congestion; controlprotocol spoofing

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10.3969/j.issn.1672-7274.2014.07.005

TN 927

A

1672-7274（2014）07-0016-03

段晓明，国家新闻出版广电总局无线电台管理局节目传送处副主任工程师。

王 莹，国家新闻出版广电总局无线电台管理局节目传送处高级工程师。

周 凯，国家新闻出版广电总局无线电台管理局节目传送处工程师。