衛(wèi)星TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

衛(wèi)星TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)——韓松  鄧迎春
    簡要：進一步發(fā)展Internet業(yè)務(wù)需要增大帶定并且要有移動性，因而衛(wèi)星網(wǎng)與IP
網(wǎng)結(jié)合成了熱門話題。針對衛(wèi)星網(wǎng)的信遣差錯率高、傳播延遲長和信遣不對稱性對TCP
傳播性能有不良影響，簡單介紹了前向糾錯和自動重傳兩種鏈路差錯控制方案；著重
介紹了對TCP協(xié)議（包括基本TCP、選擇性確認(rèn)、非對稱性和 ACK控制等幾個方面）的
改進。最后，討論了IP over衛(wèi)星和IP over衛(wèi)星ATM兩種衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
    關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信網(wǎng) Internet數(shù)據(jù)傳輸 TCP／IP
    利用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸逐漸成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主流。Internet在全球的急劇
膨脹導(dǎo)致傳輸帶寬資源緊缺，這成為限制其發(fā)展的主要因素，業(yè)務(wù)應(yīng)用一方面要求增
大接入帶寬，另一方面對移動Internet的需求越來越大。衛(wèi)星通信的寬覆蓋范圍，良
好的廣播能力和不受各種地域條件限制的優(yōu)點使衛(wèi)星通信在未來仍將發(fā)揮重要作用，
衛(wèi)星通信將是無線Internet的重要手段。目前，利用衛(wèi)星進行TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸（衛(wèi)星
IP網(wǎng)絡(luò)）已經(jīng)引起人們的重視。
    一、衛(wèi)星lP網(wǎng)絡(luò)與TCP／IP
    其中基于地面的網(wǎng)絡(luò)通過互聯(lián)單元（IWU）與衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器相連�；ヂ�(lián)單元可以
是協(xié)議網(wǎng)關(guān)，也可以是ATM衛(wèi)星互聯(lián)單元（ASIU），這些互聯(lián)單元（也很可能配置在衛(wèi)
星調(diào)制解調(diào)器中）完成WAN協(xié)議（如IP，ATM）和衛(wèi)星鏈路層協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。
    1．衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)面臨的主要問題
    衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)面臨的各種問題源于衛(wèi)星信道和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的各種固有特性，主要有3個
方面。
    （1）信道差錯率
    衛(wèi)星信道的比特差錯率（BER）大約為10－6數(shù)量級，這遠遠高于高速有線媒質(zhì)（如
光纖）。另外空間信道的各種隨機因素（如雨衰等）使得信道出現(xiàn)突發(fā)錯誤。噪聲相對
高的衛(wèi)星鏈路大大地降低了TCP的性能，因為TCP是一個使用分組丟失來控制傳輸行為的
丟失敏感協(xié)議，它無法區(qū)分擁塞丟失和鏈路惡化丟失。較大的BER過早地觸發(fā)了窗口減
小機制，雖然這時網(wǎng)絡(luò)并沒有擁塞。此外，ACK分組的丟失使吞吐量進一步惡化。
    （2）傳播延遲
    影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)延遲的因素有一些，主要的一個是軌道類型。多數(shù)情況下低軌系統(tǒng)單
向傳播延遲是20一25ms，中軌系統(tǒng)是110－130 ms，靜止軌道系統(tǒng)為250－280ms。系統(tǒng)
延遲還受星間路由選擇、星上處理以及緩存等因素的影響。一般而言，延遲對TCP的影
響體現(xiàn)在：它降低了TCP對分組丟失的響應(yīng)，特別對于僅想臨界發(fā)送超過缺省啟動窗口
大小（僅超過一個TCP數(shù)據(jù)段）的連接更是如此。此時用戶必須在慢啟動狀態(tài)下，在第
一個ACK分組收到前，等待一個完全的往返延遲；衛(wèi)星延遲和不斷增加的信道速度（10
Mbit/S或更高）還要求有效的緩存；增加的延遲偏差（variance）反過來也會通過在估
算中加入噪聲影響TCP定時器機制，這一偏差會過早產(chǎn)生超時或重傳，出現(xiàn)不正常的窗
口大小，降低了總的帶寬效率。簡單地增加TCP定時器粒度（tranularity）在此沒有多
大幫助，因為盡管較大的值可以降低錯誤超時，但帶寬利用不足也將因較長的延遲而增
加。
    （3）信道不對稱
    許多衛(wèi)星系統(tǒng)在前向和反向數(shù)據(jù)信道間有較大的帶寬不對稱性，采用速度較慢的反
向信道可使接收機設(shè)計更經(jīng)濟且節(jié)省了寶貴的衛(wèi)星帶寬�？紤]到大量TCP傳輸?shù)妮^大單
方向性特性（如從Web服務(wù)器到遠端主機），慢速反向信道在一定程度上是可以接受的。
但非對稱配置對TCP仍有顯著的影響。例如，由于ACK分組會丟失或在較大數(shù)據(jù)分組后排
隊，較慢的反向信道會引起像ACK丟失和壓縮（compression）的有害影響，從而大大減
小吞吐量，有資料顯示吞吐量隨不對稱的增加呈指數(shù)減小。此外，前向和反向信道速率
的較大不對稱會由于線速率突發(fā)錯誤較大而明顯加重前向緩存擁塞。
    2．關(guān)于TCP／IP協(xié)議
    TCP／IP是當(dāng)今進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時使用的主要協(xié)議族。該協(xié)議族中，TCP和IP是核
心，還包括一些其它協(xié)議。TCP和IP協(xié)議分別控制著數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸和路由選擇。
IP是一個為廣域網(wǎng)設(shè)計的無連接網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，它被設(shè)計為網(wǎng)間互聯(lián)協(xié)議，IP數(shù)據(jù)報可在
幾乎任何鏈路層協(xié)議上的網(wǎng)關(guān)（或路由器）間傳遞。從本質(zhì)上說，IP無非是指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)上
的數(shù)據(jù)包從發(fā)方計算機送達收方計算機。TCP則負(fù)責(zé)確保數(shù)據(jù)在設(shè)備之間進行端到端的可
靠交付。從這個意義上說，衛(wèi)星鏈路對TCP／IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懼饕�體現(xiàn)在TCP這一層（
雖說理論上講TCP不必關(guān)心IP是運行于光纖還是衛(wèi)星上，但實際上必須考慮這一點，否則
可能會使TCP邏輯上正確，但實際性能極差）。
    TCP使用基于滑動窗口的流量和擁塞控制方式，通過確認(rèn)分組流實施控制（接收方窗
口通知）。TCP使用基于往返定時器（RTh：round－trip timer）的自適應(yīng)時鐘來調(diào)諧重
發(fā)超時。TCP為完成對數(shù)據(jù)的確認(rèn)使用了滑動窗口機制，為避免擁塞采用了稱為“慢啟動”
的策略。
    發(fā)方對丟失或損壞數(shù)據(jù)的重發(fā)，要求保留數(shù)據(jù)副本直至收到數(shù)據(jù)確認(rèn)（ACK）。為避
免大量可能丟失的數(shù)據(jù)副本占用大量存儲器并浪費帶寬，TCP采用了一個滑動窗口裝置來
限制傳送中的數(shù)據(jù)數(shù)量。隨著確認(rèn)的返回，TCP在前移窗口的同時，發(fā)送不斷增加的數(shù)據(jù)。
一旦窗口被占滿，發(fā)方必須停止傳輸數(shù)據(jù)直至更多的確認(rèn)到達。
    雖然TCP能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沒有送達，但重新發(fā)送會進一步加劇信道的擁塞，從而進一步導(dǎo)
致數(shù)據(jù)丟失。為避免網(wǎng)絡(luò)因擁塞而癱瘓，TCP只能降低傳輸速率以對數(shù)據(jù)丟失做出反應(yīng)。
但是從算法上講，TCP每次進行新的連接都必須從最低的傳輸速率啟動，TCP用返回的ACK
來指示提高速率，這是一個較慢的線性增加的過程。這就是所說的“慢啟動”，即發(fā)送
窗口依每次往返時間遞增，以發(fā)現(xiàn)可持續(xù)的吞吐量。
    衛(wèi)星信道對TCP／IP數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)有一定的影響，因為衛(wèi)星通信網(wǎng)是一個高帶寬延遲
產(chǎn)物（BDP：bandwidth－delay product）網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的基本屬性是延遲（信息從發(fā)送節(jié)
點傳播到接收節(jié)點的雙向等待時間，通常稱為往返時間）和帶寬（在某段時間內(nèi)能傳輸
的比特數(shù)）。BDP指一個網(wǎng)絡(luò)或信道是這兩個屬性（如網(wǎng)絡(luò)能容納的比特數(shù)）的產(chǎn)物。在
傳輸／數(shù)據(jù)鍵路層，BDP代表網(wǎng)絡(luò)上任何時刻允許的最大待確認(rèn)處理的信息數(shù)量，它占滿
整個鏈路。BDP也指示出為了獲得最佳性能，端用戶必須擁有的緩存要求的上限。
    衛(wèi)星IP網(wǎng)需要研究的問題還有 QOS、互操作和路
由選擇等問題，但其影響主要體現(xiàn)在通信流量（擁塞）
控制和協(xié)議帶寬效率這兩方面，因此衛(wèi)星TIP／IP傳輸
研究也主要集中在這兩方面。
    二、衛(wèi)星TCP／IP傳輸?shù)幕�本改進
    TCP是TCP／IP中的用于可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸協(xié)議，TCP要求反饋以確認(rèn)數(shù)據(jù)接收
成功。衛(wèi)星信道的一些固有特性（如較大延遲、較高比特差錯率和帶寬不對稱等）對通過
衛(wèi)星鏈路進行TCP／IP傳輸有一定的負(fù)面影響，主要體現(xiàn)在過長的TCP超時和重傳引起較大
的帶寬浪費，此外還要考慮衛(wèi)星環(huán)境下的一些TCP特性，如窗口較小，往返定時器不精確，
以及啟動窗口等問題。研究人員對提高衛(wèi)星網(wǎng)中的TCP性能提出了各種解決方案，研究涉
及鏈路層差錯控制方案和協(xié)議，更完善的TCP版本等各個方面。
    1．鏈路層改進
    衛(wèi)星TCP中，鏈路差錯率是一個主要考慮的方面。目前已有各種差錯控制方案可供選
擇，由于它們不是TCP專用的，放在此僅簡單介紹一下。
    前向糾錯（EEC）方案和自動重傳（ARQ）協(xié)議是兩個主要的差錯控制方法。前向糾
錯方案中可以選擇卷積編碼和級聯(lián)編碼，一些較高級的編碼方案還同時采用比特交織技
術(shù)減小突發(fā)錯誤的影響。較好的系統(tǒng)通過采取這些差錯控制方案，BER值可超過10－7的
范圍，從而使分組差錯率達到10－9以上。但是由于差錯控制方案引入了數(shù)據(jù)冗余，編碼
復(fù)雜度減慢了衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的速度并降低了帶寬效率。因此不同的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)條件支
持的編碼方案的范圍是不同的。系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，例如，可根據(jù)業(yè)
務(wù)對延遲是否敏感采用不同的編碼級數(shù)，還可使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)抵消由編碼引起的帶寬
效率降低。
    自動重傳協(xié)議包括停止一等待、返回N和選擇重傳等三種類型。自動重傳協(xié)議由于額
外的重傳延遲不適合較高的BER環(huán)境。盡管選擇重傳較另兩種自動重傳效率高些，但需要
調(diào)制解調(diào)器中有較高的復(fù)雜度，TCP和選擇重傳間的相互影響還有待深入研究。
    2．TCP改進
    由前述可知，對于衛(wèi)星TCP／IP數(shù)據(jù)傳輸，由于延遲時間過長，通常的TCP，滑動窗口
大小限制了衛(wèi)星鏈路的最高吞吐量；同樣，由于ACK從衛(wèi)星返回得十分緩慢，TCP達到全速
時需要一個較長的提速時間，即使對于一個較小的數(shù)據(jù)連接也是如此。
    許多調(diào)整的參數(shù)可用于增強TCP的性能，包括數(shù)據(jù)段、定時器和窗口的大小。TCP實現(xiàn)
中含有大量擁塞避免算法，如俊啟動、選擇重傳和選擇確認(rèn)，它通常能改進像Internet這
樣的共享網(wǎng)絡(luò)的性能。但在許多擁塞控制算法，特別是慢啟動中，當(dāng)中等數(shù)量數(shù)據(jù)正在一
個具有較大帶寬延遲特性的鏈路上傳輸時，會產(chǎn)生端到端通信的低效帶寬利用問題。對此
需要有相應(yīng)的解決辦法。
    （1）基本TCP改進
    TCP的一個問題是它的缺省窗口大小僅限于16bit，這個值對于衛(wèi)星高BDP來說是不夠
的。由于要求的窗口大小很容易超出最大允許的65 536字節(jié)，這限制了最大吞吐量接近
1Mbit／S（低于T1速率）。簡單地為TCP窗口大小安排更多的比特是不可行的，因為對報
頭的相應(yīng)改變會造成老版本網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的復(fù)雜化。窗口擴縮（window scaling）選項解決了
這一問題，它允許啟動時的連接協(xié)商一個比例因子，這個因子通常是2的冪，最大允許窗
口達到32 bit，這對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是足夠了。然而增大的窗口也會引起序列號回繞的問題，
要求附加回繞保護序列號（PAWS）機制。這兩個特點對于衛(wèi)星TCP是基本的，特別對于GEO
系統(tǒng)猶為如此。
    較大的往返延遲偏差將導(dǎo)致不精確的往返時間估計，它最終將降低TCP的丟失檢測機制
的效能，可能導(dǎo)致?lián)砣�崩潰。TCP的定時機制一次僅計時一個TCP數(shù)據(jù)段，造成對于動態(tài)條
件和較大窗口環(huán)境而言過粗的取樣速率，特別是在緩存延遲與傳播延遲數(shù)量級相同時。在
啟動（如SYN握手）時顯示的TCP，回應(yīng)（echo）選項通過將一個發(fā)端時激與每個數(shù)據(jù)段相
關(guān)聯(lián)解決了這個問題。接收方回應(yīng)這些時戳，給出處理延遲的ACK定時器和不連續(xù)序列號
（如丟掉的數(shù)據(jù)段）的措施�？紤]到較大的延遲偏差和增加的緩存要求，回應(yīng)選項對于TCP
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)很重要。
    （2）選擇性確認(rèn)改進
    TCP接下來的～個主要缺點是它易受多個丟失的影響，造成它失去它的“自計數(shù)”屬性
和超時。在長延遲網(wǎng)絡(luò)中，阻止不必要的窗口減小并僅重發(fā)受損／丟落分組，有助于提高
帶寬利用率，如ITU－T為衛(wèi)星制定的SSCOP協(xié)議。這類協(xié)議稱為選擇性確認(rèn)（TCP SACK），
對TCP協(xié)議提出了明顯的改進。TCP SACK是一個數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)算法，其中接收方能夠有選擇地示
意哪個數(shù)據(jù)塊（數(shù)據(jù)段）沒有收到。這允許接收方僅精確地重傳這些遺漏的分組，從而有
效地降低了不必要的重傳。
    研究結(jié)果顯示TCP SACK適合于具有中等丟失率（低于窗口大小的50％）的長延遲網(wǎng)絡(luò)
環(huán)境，對于線路丟失率較嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)，在SACK基礎(chǔ)上改進的前向ACK FACK）建議比較適合。
前向ACK進一步地結(jié)合了擁塞控制以及數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)算法，盡管對于高噪聲衛(wèi)星環(huán)境還有待進一
步研究，前向ACK有望提供較高的性能增益。
    （3）非對稱性考慮
    信道不對稱問題的一個有效的解決辦法是確保適當(dāng)?shù)姆聪驇�寬并使用充分大的分組。
否則，增加的前向緩在要求處理較大的線性速率突發(fā)錯誤。像彈出“舊的”ACK分組，甚至
是操縱ACK序列號這樣更精細(xì)的ACK處理方案在這里也是有幫助的。這些方案試圖保持和退
回包含較高序列號的ACK分組，整體上改進了吞吐量。
    （4）ACK控制方案
    ACK控制方案最初用于改進在ATM上進行TCP傳輸?shù)男阅埽�由于TCP反饋環(huán)和ATM擁塞控制
兩者的時間度量差異較大（前者為幾百毫秒，后者為幾毫秒），引入ACK控制方案的目的是
使兩者更好地匹配。其中有兩種方案引人注目，～種是延遲返回的ACK分組，一種是修改返
回ACK分組中的接收機窗口率段。ACK控制的好處是不需修改TCP協(xié)議棧，僅發(fā)端變得復(fù)雜一
些。ACK控制方案不是ATM專用的，它也很適合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。
    三、衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)
    IP over衛(wèi)星和IP over衛(wèi)星ATM這兩種衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)各有特點，應(yīng)用的通信衛(wèi)星技術(shù)有所
不同。
    1.IP over衛(wèi)星
    這里的衛(wèi)星主要指現(xiàn)階段的C或Ku波段靜止軌道衛(wèi)星，可用于作為地面網(wǎng)中繼的大型衛(wèi)
星關(guān)口站或VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)。這種方式主要是采用協(xié)議網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)。協(xié)議網(wǎng)絡(luò)既可以是單獨
的設(shè)備，也可以將功能集成到衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器中。它截取來自客戶機的TCP連接，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)
換成適合衛(wèi)星傳輸?shù)男l(wèi)星協(xié)議（衛(wèi)星協(xié)議是根據(jù)前面所述的針對衛(wèi)星特點對TCP的改進），
然后在衛(wèi)星線路的另一端將數(shù)據(jù)還原成TCP，以達成與服務(wù)器的通信。整個過程中，協(xié)議網(wǎng)
關(guān)將端到端的TCP連接分成三個獨立的部分：一是客戶機與網(wǎng)關(guān)間的遠程TCP連接；二是兩個
網(wǎng)關(guān)間的衛(wèi)星協(xié)議連接；三是服務(wù)器方網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器問的TCP連接。
    這一結(jié)構(gòu)采取分解端到瑞連接的方式，既保持了對最終用戶的全部透明，又改進了性能。
客戶機和服務(wù)器不需做任何改動，TCP避免擁塞裝置可繼續(xù)保留地面連接部分，以保持地面
網(wǎng)段的穩(wěn)定性。同時通過在兩個網(wǎng)關(guān)間采用大窗口和改進的數(shù)據(jù)確認(rèn)算法，減弱了窗口大小
對吞吐量的限制，避免了將分組丟失引起的傳輸超時誤認(rèn)為是擁塞所致。
    2．IP over衛(wèi)星ATM
    為了滿足多媒體通信業(yè)務(wù)的需求，許多寬帶衛(wèi)星計劃正在快速發(fā)展中，采用Ka波段、星
上處理和ATM技術(shù)是其主要特點。IP over衛(wèi)星ATM使寬帶衛(wèi)星能夠無縫傳輸Internet業(yè)務(wù)，因
而這種方式的衛(wèi)星IP網(wǎng)將更好地滿足未來人們對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?br />    在衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星被設(shè)計為能支持幾千個地面終端。地面終端通過星上交換機建立
應(yīng)通道（VC：Virtual Channel），與另一個地面終端之間傳輸ATM信元。由于星上交換機有
限的能力，每個地面終端能用于TCP／IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)腣C數(shù)量有限。當(dāng)路由選擇IP業(yè)務(wù)進出ATM
網(wǎng)時，這些地面終端成為IP與ATM間的邊緣設(shè)備（路由器）。這些路由器必須能夠?qū)⒍鄠�IP流
聚集到單個VC中。除了流量和VC管理之外，地面終端還提供在IP和ATM網(wǎng)間擁塞控制的方法。
星上ATM交換機必須在信元和VC級完成業(yè)務(wù)管理。此外，為了有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，TCP主機實現(xiàn)
各種TCP流量和擁塞控制機制。IP over衛(wèi)星ATM可以利用前面討論的衛(wèi)星知P改進和協(xié)議網(wǎng)關(guān)等
技術(shù)，地面網(wǎng)中IP over ATM的一些技術(shù)也適用。
    四、結(jié)語
    由于衛(wèi)星在現(xiàn)代通信基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮越來越重要的作用，衛(wèi)星網(wǎng)與IP網(wǎng)的結(jié)合是當(dāng)今衛(wèi)星
通信領(lǐng)域最熱門的話題之一。但由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)固有的一些特性影響了獲得良好TCP性能，主要
包括長延遲、增加的比特差錯率、網(wǎng)絡(luò)不對稱性。為保證可靠的端到端數(shù)據(jù)傳遞，提高衛(wèi)星TCP
的性能，人們提出了許多有效的解決方案。這些方案對衛(wèi)星媒質(zhì)要解決的主要問題是支持較大
的流量控制窗口以及改進擁塞控制算法。隨著研究的進一步深入，在這一重要領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)更綜
合、更完善的解決方案。在對TCP進行改進的同時，人們對IPove衛(wèi)星ATM進行了深入的研究。衛(wèi)
星ATM網(wǎng)中傳輸TCP／IP業(yè)務(wù)，要求從TCP機制和ATM機制兩個方面進行改進，IP over衛(wèi)星ATM技
術(shù)將使衛(wèi)星通信在全球信息基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮更大的作用，其技術(shù)進展值得關(guān)注。

摘自《現(xiàn)代電信科技》2000-2