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1、工程硕士学位论文学号密级G S 0 7 0 4 1 0 4 4公开T C P 协议在空间通信中的应用研究硕士生姓名黄科学科领域电子与通信工程研究方向通信信号处理与通信网络指导教师雷菁教授国防科学技术大学研究生院二o o 九年四月些2 8一筋争一。钮册眦Y，国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文摘要随着空间通信系统的不断发展，卫星通信以其独有的优势逐渐成为I n t e m e t 的重要组成部分，卫星宽带接入技术成为卫星通信系统发展的一个重要趋势。目前应用于地面数据传输控制的T C P 协议由于具有使用范围广泛、算法成熟、可移植性好等特点，使得其在与空间数据传输系统的结合应用方面具有独特的优
2、势。但T C P 协议在设计之初是基于地面有线数据传输环境特点设计，在实际空间数据传输的过程中，由于空间数据传输链路高误码率、数据传输时延长、数据带宽不对称等特点，使T C P 协议传输性能在空间链路上受到严重的挑战。如何提高T C P 协议在空间通信信道中的性能，是目前空间通信领域的重要研究方向。本文首先介绍了空间通信系统和T C P 协议的发展以及研究现状，并针对卫星通信系统特点和空间通信与传统T C P 结合时出现的问题进行了分析，针对目前主流的基于T C P 协议的空间数据传输算法改进策略进行了研究，根据其优点和缺点进行了综合评估，提出一种基于现有传统T C P 协议改进的数据传输控制
3、协议S N T C P，用以提高T C P 协议在空间通信系统中的传输性能。在改进的协议中，针对空间链路长延时、高误码、链路不对称的特点，分别设计了快速起始、带宽探测，丢失判决、差错控制等算法，结合原有T C P 协议在地面数据传输的优点并针对空间环境特点进行改进，使协议在空间数据传输环境中表现出更优的性能。本文通过网络仿真工具N S 2 对S N T C P 协议性能进行了仿真，并将其与传统T C P 协议进行比较分析。仿真结果证明，本文提出的S N T C P 协议在空间数据传输性能上优于传统T C P 协议，有效的提高了传统T C P 协议在卫星链路上的传输性能。最后，根据研究总结出改进
4、型S N T C P 的优缺点，提出下一步工作的内容，为地面数据传输协议应用于空间通信领域做出有益的尝试。主题词：空间通信T C P 性能改进N S 2第i 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文A B S T R A C TW i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p a c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e na c t i n ga sa ni m p o r t a n tp a
5、r to fI n t e r n e t B r o a db a n d w i d t hs a t e l l i t et e c h n o l o g yb e c o m e sat r e n do fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n t A tt h es a m et i m e，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha se f f i c i e n ta l g o r i t h ma n da
6、b r o a du s a g e，T C Pp r o t o c o lh a st h ea p p l i c a t i o na d v a n t a g ew h e ni n t e g r a t e di n t os p a c ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m s O r i g i n a lT C Pp r o t o c o li sd e s i g n e df o rd a t at r a n s m i s s i o ni ng r o u n de n v i r o n m e n tw h
7、i c hi Sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h a ti ns p a c ec o m m u n i c a t i o n T C Pp e r f o r m a n c e sw i l lb er e d u c e dg r e a t l yb e c a u s eo fh i g hd e l a y，h i 曲b i t-e r r o r r a t ea n dc h a n n e la s y m m e t r y T h e r e f o r eh o wt oe n h a n c et h ep e r f o r
8、m a n c eo fT C Pi ns a t e l l i t el i n kh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u ef o rU S F i r s t l y w ei n t r o d u c e dt h er e c e n td e v e l o p m e n to fT C Pp r o t o c 0 1 T h e nt h er e a s o nf o rp e r f o r m a n c ed e c l i n eo fT C Pi ns a t e l l i t el i n ki Sa n a
9、 l y z e d A n ds o m es c h e m e sw h i c ha d d r e s st h ep r o b l e m so fu t i l i z i n gT C Pp r o t o c o li ns a t e l l i t en e t w o r k sa r ed e t a i l e di n t r o d u c e d t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c to ft h e s es c h e m e si se v a l u a t e d An e we n h a n c e
10、 dT C Pp r o t o c o lS N-T C Pi sp r o p o s e db ym e a n so ff a s ts t a r t，b a n d w i d t hd e t e c t i o n，l o s sd e t e c t i o na n de r r o rc o n t r o lm e c h a n i s m B yc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a lT C Pp r o t o c o la n di m p r o v e m e n t w
11、ed e s i g nap r o t o c o lt of i tf o rt h es a t e l l i t en e t w o r k s I nt h ep a p e r，w eu s e dn e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r eN S 2t oc o m p a r et h er e s u l to ft r a d i t i o n a lT C Pa n dS N T C P S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o
12、s e dS N T C Pp r o t o c o li sa b l et oe n h a n c et h eT C Pp e r f o r m a n c eg r e a t l yo v e rs a t e l l i t en e t w o r k s F i n a l l y w ea n a l y z e dt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fS N T C P K e yW o r d s：S a t e l l i t eC o m m u n i c a t i o nI n t e r
13、 n e tT C PP e r f o r m a n c eE n h a n c eN S 2第i i 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文表目录表4 1 对称链路仿真参数4 3表4 2 拓扑设置4 6表4 3 实验数据结果4 7表4 4 多连接仿真参数4 9表4 5 多连接仿真数据分析5 0表4 6 卫星链路N S 仿真参数5 1表4 7 卫星转发器参数5 2表4 8 铱星系统参数5 4第1 I l 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文图1 1图2 1图2 2图2 3图3 1图3 2图3 3图3 4图3 5图3 6图3 7图3 8图3 9图3 1 0图4 1图4 2图4 3
14、图4 4图4 5图4 6图4 7图4 8图4 9图4 1 0图4 1l图4 1 3图4 1 4图4 1 4图4 15图4 1 6图4 1 6图4 17图目录卫星通信系统基本组成1T C P I P 分层模型6T C P 数据包格式7T C P 连接建立拆除机制8S N T C P 工作流程2 3拥塞窗口对比2 5数据传输量对比2 5丢包检测算法2 8传输窗口洞标注3 0有不连续洞标注3l洞标注数据结构3l洞检测算法3 2S N T C P 数据包格式3 3S N A C KO p t i o n 数据结构。3 3N S 2 构架图3 8N S 2 构件库的部分类层次结构3 8N S 仿真流程3
15、 9对称链路节点拓扑。4 2拥塞窗口对比4 2不同错误率吞吐量对比。4 3R e n o 仿真丢包4 4R e n o 拥塞窗口控制4 4S N T C P 仿真丢包4 5S N T C P 拥塞窗口控制4 5非对称链路4 6数据发送量对比4 8发送序列号对比4 8多连接拓扑4 9多连接数据发送量对比5 0数据重传率仿真对比51卫星数据转发器拓扑图5 2卫星转发器吞吐量对比5 3第1 V 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文图4 1 8图4 1 9图4 2 0图4 2 1卫星转发器线路利用率对比5 4铱星链路传输协议数据吞吐量比较5 5异层轨道卫星拓扑5 6异层卫星数据吞吐量对比5 7第
16、V 页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究3-作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教奇胡构的!学位或证书而使用过的材*-t 与我一同-：作的同志对奉硎究所做的任何贞献均f 1 J 在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：!g 里进这查空闽通焦的廑周盟壅学位敝储鲐生斜一吼2 川年年月，午日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定，本人投权阎防科学技术大学可以保留并向国家有天部门或初构送交论文的复印件和r H 子文
17、档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题日：!旦垃邀查空间通垡的应周翌盏一一一一学位论文作者签名：羞硅一作黼挪始么瓢日期：2 护弘_ 年月f 4 口日期：如丫年夕月眵只国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文第一章绪论1 1 卫星通信系统概述自上世纪第一颗通信卫星阀世以来，卫星通信以覆盖广、通信距离远、不受地理条件限制、数据传输费用低廉、组网灵活等特点，在全球数据通信领域发挥着重要的作用。卫星通信系统是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两
18、个或多个地球站之阃进行通信的数据传输系统。卫星通信系统主要由空闯分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四部分组成。其中跟踪遥测及指令分系统负责对卫星的轨道、位置及姿态进行监视和校正；监控分系统负责对卫星的性能及参数进行监测。图1 1卫星通信系统基本缦成卫星通信系统不仅应用于电视广播、区域或全球移动通信，还应用于远程教育等很多方面，所承载的业务主要面向话音和图像。经过几十年的发展，卫星通信技术得到了长足进步，通信频率不断提高，通信带宽持续增大，所承载的也不再只是低速业务，嵩带宽、高速率的通信服务已经成力卫星通信的主流，卫星通信已经进入军事侦察、通信广播、电视直播、导航定位、气
19、象预报、资源探测、环境监测和灾害防护等国防和民用的各个领域，成为现代社会不可缺少的通信手段。卫星通信已经步入宽带通信服务时代。1 2 卫星与I n t e r n e t 融合为了满足全球因特网数据传输的需求，务方恕发展l H l。结合卫星通信的鱼身特点，卫星通信已经朝着宽带因特网接入服与地面髓络穗比，至星宽带因特网特第l 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文点鲜明，主要体现在：能够快速组网，短时I 刨内可实现全球范围内的终端用户接入；以广播方式工作，具有大面积覆盖能力，通信灵活机动，适合多媒体业务的广播和组播业务；通信距离远，工作频段宽，通信容量大，可承载多种业务传输；传输能力强，数据
20、传输量大，业务费用低廉。目前，提供宽带因特网接入服务的通信卫星由于无基带数据处理能力，仅实现基带数据的透明转发功能。其中，具有代表性的宽带通信卫星有：I n t e l s a t 9、1 0 系列卫星【5，6】、i P S t a r 通信卫星【7 1、I n m a r s a t 4 卫星【8】8、A P S T A R 6 卫星1 9 等。此类卫星在上行信号恢复成基带数据之前，就已经完成了下行链路的转发。随着星上数字处理技术的不断提高，具有星上基带数据交换和处理功能的新型宽带通信卫星逐渐成为通信卫星发展的热点。与透明转发卫星相比，它具有以下优点：终端之间实现单跳连接，节约一半的带宽资源
21、和降低一半的传输时延；降低星上功率消耗，提高系统效率；降低噪声积累，提高信噪比；波束和带宽灵活可变；上行和下行链路接口可分离；降低地面设备成本等。具有星上基带数据交换和处理功能的宽带通信卫星，对于构建大容量、高速率的卫星宽带因特网，保证各种业务的实时传输与众多用户的快速接入，都非常有利。到目前为止，已经发射的此类通信卫星包括W 3 A【10 1、H o t b i r d 6、7、8 系列【1 1 1、A n i k F 2 1 2 1、A m a z o n a s 1 3-I5 1、E T S V I I I I 6】等卫星，W i n d s 引、H o t b i r d 9 系列等卫
22、星的发射计划也已提上日程。另外，美军的未来卫星通信系统也将会以此类卫星为核心，为遍布全球的军队提供高速互联网接入服纠1 9】。这些新型宽带卫星采用的星上处理技术各不相同，实现的数据处理功能也不尽相同。在国际上，I S P(I n t e m e t 服务提供商)普遍采用各个国际卫星通信组织的卫星链路进行数据连接传输，全球已有1 1 的I S P 依赖卫星通信信道。在我国，目前约有十大互联网，其国际带宽大部分使用卫星链路。同时，随着互联网的迅猛发展，I n t e m e t 已经发展成为全球应用种类最多、应用范围最广的信息基础设施。由于终端用户数据的急剧增加以及新业务的不断涌现，互联网将无法承
23、载如此巨大的数据传输量，数据传输能力不断下降：同时，大跨度范围的数据传输也对现有互联网传输设备提出了更高的要求，数据传输费用不断增加。面对出现的问题，I n t e m e t 才更加需要新的传输系统支持。卫星数据传输网络作为传输载体，具有以下特点：卫星波束覆盖范围广，通信距离远通信性能稳定、可靠第2 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文系统建设迅速、简便可一点到多点的连接和广播方式工作。综上所述，基于卫星系统的I n t e m e t 数据传输网具有空间跨越、远程通信和广播、大数据量传输的功能，成为解决目前I n t e m e t 数据传输负荷重，传输跨度小等问题的重要途径，卫星通
24、信与I n t e m e t 结合成为目前互联网发展的重要趋势。总之，随着技术的发展和新型通信卫星的不断涌现，空间通信系统被赋予新的任务，除了具有数字化、移动化、宽带化的特点外，还将具有网络化和I P 化等新的特点。通信卫星将不仅仅实现数据的转发，还会实现数据的复用、交换，甚至是路由功能。卫星通信系统与I n t e m e t 结合将会使得空地之间以I P 为通信平台，形成空地合一的高速因特网。1 3 本文的研究背景随着世界经济科技的迅速发展及全球航空航天技术的进步，数据网络通信技术成为推动国家经济发展的重要力量。我国政府和相关部门也意识到通信技术对经济发展和国防建设的重要性，从八十年代后
25、期开始积极发展地面网络通信。在短短的二十年里，已经基本上建成了覆盖全国的通信网络。这大大提高了我国处理企业间及政府间信息的能力，节约了社会成本提高了社会运行效率。伴随着我国经济的进一步发展以及国防建设所面临的新需要，推动本国网络通信系统向空间卫星通信方向发展成为必然趋势，以小卫星网络为主干的天基综合信息网建设也将被提到日程。天基综合信息网的核心是由多个卫星网络组成的主干网。卫星网络由于传输距离远(赤道静止轨道卫星距离地球3 5 8 6 0 k m)、传输环境多变的特点(环境干扰、星体阻挡、雨衰、空间复杂电磁环境)，在实际数据传输的过程中表现出数据传输延迟大，信道误码率高等特点。同时从卫星发射负
26、荷能力和传输设备经济性考虑，要求卫星星体小巧轻便，因此可搭载的数据传输设备有限，导致卫星传输上下行链路带宽不对称。于是综合考虑环境、通信链路、能源等诸多方面的制约，与地面数据传输网络相比，表现出网络拓扑复杂、数据传输时延长、信道误码率高，上下行链路不对称的诸多差异。因此，现有成熟的地面通信网络协议并不能直接应用于苛刻的空间数据通信环境中。所以卫星网络协议面临两种选择：一是在地面通信网络协议的基础上进行修改，使其适合空间网络环境；二是根据卫星网络的各种约束条件，重新设计新的网络协议。本论文的研究方向就是按照空间卫星数据传输网的要求，构建仿真卫星网络数据传输环境，分析现有相关地面网络传输控制协议在
27、空间数据传输应用的可行性，结合卫星通信系统高误码、长时延、传输链路不对称的特点，以及实际卫星第3 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文通信环境可能出现的问题，对传统T C P 协议进行改进，提出一种优化改进的空间网络传输控制协议，用以提高T C P 协议在卫星链路下数据传输的性能，并在仿真卫星网络环境下进行实验，获得改进型协议的相关数据。一方面，是为了比较验证改进协议的优缺点，从而可以更好的优化传输层传输效率；另一方面，为整个天基综合信息网协议栈的设计提供有益的参考。本文设计改进的空间通信传输协议是在原有T C P 协议基础上优化改进的S N T C P 协议，T C P I P 网络协
28、议簇中传输层的端到端传输协议T C P，被广泛应用于网络数据传输，而在卫星通信环境下，由于链路损坏、链路中断等情况的干扰，更加要求卫星与地面通信时采用可靠的传输协议。但是将T C P 直接应用于空间环境却不能表现出良好的数据传输性能，其中最主要的就是T C P 在差错控制、拥塞控制和数据传输控制方面的原因。由于T C P 最初设计的环境，是为了解决有线通信环境下数据传输的问题。它在很多方面，都未考虑无线通信的特殊环境，因此，如果直接应用于空间数据通信，并不能有效解决卫星通信环境下各种数据传输出现的问题。因此本文重点研究对原有T C P 协议进行改进，使协议融可靠传输能力、超时重传策略与拥塞控制
29、机制为一体，设计出新的空间通信T C P 协议，使其能够在高传输延迟、链路非对称及链路易中断的卫星通信环境下提供高效、可靠的数据传输。在本文中我们深入地分析了卫星通信的特性，并依据它提出设计改进协议的算法和策略，并在N S 2 网络仿真软件旱进行了模拟，得到了有效的仿真数据结果，在仿真测试的过程中，发现协议设计缺陷，及时对设计进行修改更正。在仿真测试中对多个协议从性能上进行比较，同时进行改进及优化。这为分析改进设计方案是否适合于现有的卫星通信环境，以及在接下来实验中设计出更优的协议，有着重要的数据参考和借鉴意义。1 4 主要工作和内容安排本文首先研究了T C P 协议在数据传输控制方面的特点，
30、就现有地面网络数据传输协议进行深入了解。在此基础上对空间数据传输特点进行学习和分析，针对卫星链路高误码、长时延、传输链路不对称的数据传输环境特点分析T C P 协议可能出现的问题。在分析现有应用于卫星链路数据传输协议的基础上，综合卫星链路特点和传输控制协议机制，设计改进传统T C P 协议，使之在适应地面数据传输控制的同时，达到卫星链路流量控制、差错控制、数据传输性能等要求。最后，根据设计改进思想，在N S 2 网络仿真平台上对协议进行仿真，就其在不同网络环境下、不同网络拓扑结构中的传输性能与传统T C P 协议的仿真数据进笫4 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文行对比。仿真表明，改进
31、型的S N。T C P 在卫星链路数据传输性能上优于传统T C P，能显著提升协议在空间环境中数据传输能力。本文的具体内容和结构安排如下：第一章绪论。介绍了卫星通信系统和I n t e r n e t 协议发展过程，分析了两者结合的发展趋势，讲述了课题的研究背景、研究目的和重要意义，并在最后就论文的主要工作和主要内容内容安排进行概述。第=章空间通信环境中T C P 性能改进研究现状。就T C P I P 协议进行阐述，同时，针对卫星链路环境特点进行学习，就传统T C P 协议应用于空间透信可行性进行分析，阐明了传统T C P 协议在卫星链路数据传输的缺点和不足。学习7 解现有主流的应用于T C
32、 P 协议卫星链路数据传输性能改进策略和方法，并分析了其优缺点和需要改进的方面。第三章S N T C P 协议设计原理。根据第二章分析的问题，就协议的缺点提出设计思路，改进用于地面数据传输的传统T C P 协议，使之适应空闵数据传输。提出了融合快速启动策略、拥塞控制策略、带宽检测机制、丢失判决机制和差错控制机制等多种算法的S N T C P 协议，并设计了协议专用的数据包，使之在满足数据传输可靠要求厨时，保证协议在空间数据传输的性能。第四章S N T C P 协议仿真。首先介绍了协议仿真的软件平台N S 2 网络仿真软件，就其在网络仿真的特点和结构进行阐述。然后对本文设计改进的S N T C
33、P 协议在N S 2 网络仿真软件中的关键代码进行分析，并且在仿真平台上对S N T C P 协议在简单的对称链路拓扑结构、非对称链路拓扑结构和多连接链路拓扑结构下数据传输性能进行仿真。为了增强仿真数据的可信度和说服力，在具有真实卫星网络传输参数的翌星转发器和铱星系统中对协议在不同豹误码率、传输线路对称比率和传输延时等情况下进行仿真，数据采集结果贴近实际卫星链路传输数据。仿真结果证实，改进的S N T C P 在空间数据传输性能上要优于传统T C P锛议，具有较高的现实意义。第五章总结和未来工作展望第5 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文第二章空间通信网络中T C P 协议的改进在本章
34、中，我们首先介绍T C P 相关的一些基本概念，然后分析卫星链路中T C P数据传输特点和存在的问题，介绍目前T C P 用于卫星链路传输在性能上的改进方法，对比现有改进方案的优缺点提出优化改进的思路和方法。2 1T C P f l P 协议概述上世纪9 0 年代以来，因特网开始飞速发展。到目前为止，已经发展成为跨越全球的计算机互联网，全球一体化的宽带因特网已经成为必然。因特网的成功发展，很大程度上取决于因特网的T C P f l P 协议族【3 9 J 技术。T C P I P 协议族开始于6 0年代，到了9 0 年代就已经发展成为使用最为广泛的计算机互联协议。T C P I P 协议族主要
35、分为两个部分，即T C P 协议和I P 协议。从协议层次上讲，I P 协议1 4 0 J 位于网络层中，它为各种高层协议提供了一个通用平台。高层协议和应用程序只需做好与I P 的“沟通，不必关心底层协议和链路接口，就可以实现不同网络和终端的广泛互联。I P 具有简单、灵活优点的同时也有不足之处：不提供数据传输的质量保证，也就是通常所说的“尽力而为 的服务。幽2 1T C P I P 分层模型设计T C P 协议【3 1 的目的就是为了弥补I P 在这方面的不足，解决数据传输不可靠的问题。T C P 协议位于传输控制层，它以适应网络特性为目标，提供可靠、面第6 页国防科学技术大学研究生院工程硕
36、士学位论文向连接的服务。目前，T C P 协议已经成为因特网中数据传输的实事标准，大约8 0 的业务是透过T C P 协议来保证数据的可靠传输。T C P 协议是一种面向连接的传输层协议。它采用带确认机制和滑动窗口的算法保证数据传输的尚效、准确、可靠。T C P 的数据传输单元叫攸数据报”(s e g m e n t)，最大传输数据报(M S S)取决于网络模式，缺省值是：5 7 6 b y t e s，而对以太网M S S为：1 5 0 0 b y t e s，躅2 2 是T C P 的报文格式。O1 51 63 l1 6 位源端口号1 6 位目的端口号3 2 位序列号3 2 位确认号4 倪
37、首部保鼹(6标患位1 6 位指针大小1 6 使T C P 检验秘1 6 位紧急指针选项(若有)数据(若套)图2 2T C P 数据包格式每一个T C P 报文被分为两个郏分：报头和数掘，其中报头长度为2 4 b y t e。当一个T C P 连接建立起来时，发送端选择个随机的3 2 b i t 的数字作为置身的初始序列号，并向其它节点通知这个序号已经被使用，接下来的报文将被分配为递增的序列号。确认报文由接收方发出，通知发送方已经到达目的地的报文的最高序列号。这意味着确认信号(A C K)并不去确认每一个字节，只表明A C K 携带的序列号之前的字节都已经成功接收。T C P 协议在发展的过程中
38、经历了几次改动，形成了几种不同的协议版本，但各令版本的T C P 协议都包含了连接管理、差错控制、流量控制和撼塞控制枕篱l 等，我们接下来对这些机制进行简单的介绍。(1)连接管理机制每次连接建立和终止的过程，都是T C P 协议通信双方一次协商的过程。在T C P 通信建立阶段，T C P 客户端发送S Y N 段指翡客户请求建立T C P 连接。当服务器接收到客户端发来的请求包时，服务器应答A C K，表示同意客户端请求，并向客户端发送S Y N 连接请求，客户端再对服务器发来的S Y N 包进行确认并建立连接。透过这三个报文段完成连接建立的过程也称为三次握手过程。第7 页字节丁l加上国防科
39、学技术大学研究生院工程硕士学位论文在通信连接终止阶段，需要经过一个4 次握手过程，客户端关闭连接时，将发送一个F I N 包，关闭在从客户端到服务器的数据传送。当服务器收到这个F I N包时，回传一个A C K 包以确认收到了F I N 包。接着，服务器关闭它的连接，并向客户段发送一个F I N，在客户端收到服务端发来的F I N 包时，应答A C K，这样一个通信连接终止，期间进行了4 次握手。客户端服务端时间连接建立三次握手连接拆除四次握手图2 3T C P 连接建立拆除机制(2)流量控制机制T C P 协议使用滑动窗口策略，T C P 数据发送窗口限定为6 4 K B，协议允许发送方收到
40、确认信号之前可以发送多个报文，刚丌始设置一个很小的数据发送窗口，所有的报文分组在这个窗口内按顺序发送。发送者在接收到窗口中第一个报文分组的确认后，窗口便向前滑动，然后发送下一个报文分组，只要收到确认，窗口便继续滑动。这种机制可以保持网络传输报文分组的饱和状态，从而获得较高的吞吐量。(3)差错控制机制差错控制机制是协议可靠性要求的一个重要组成部分，它包括差错检测和差错恢复。T C P 使用应答确认包、定时器和重传来完成差错控制。T C P 协议为每个数据包分配一个3 2 位序列号，并对每个接收到的数据包进行确认，T C P 的确认是累积的，这就意味着发送的每个确认都指明了到目前为止接收到的最高有
41、序序列号的数据包。发送方在发送数据的同时，启动一个重传定时器，如果在定时器超时之前收到数据包的确认，则定时器关闭：相反，如果在定时器超时之前没收到确认，则认为该数据包已经丢失，需要重传。在T C P 超时重传机制中最重要的部第8 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文分就是连接往返时间R T T(R o u n dT r i pT i m e)，既发送端发送一个数据开始到接收到应答的时间。由于网络状态的动态变化，R T T 时间也会经常变化。(4)拥塞控制机制由于在T C P 协议设计之初，未将其考虑在应用于无线卫星通信系统中，所以T C P 设计是基于高可靠、低错误率的有线网络。它将网络
42、中所有报文段的丢失都默认为网络产生拥塞，正是由于这样的默认设置，T C P 在应用于无线卫星网络时，遇到了很多问题，其性能大大降低，为了更好的说明这个问题，下面重点介绍下T C P 的拥塞避免机制。a)慢启动阶段(S l o ws t a r t)一般来说，在进行数据传输的开始阶段，T C P 协议并不知道当前网络状态，因此，采用一种缓慢探测网络传输容量的方法，逐步增加发往网络的数据量，使网络逐步达到满负荷工作状态，充分利用网络资源，避免猝发数据进入网络，导致网络拥塞。慢启动主要发生在数据开始传输阶段和检测出数据丢失后数据重传阶段。在慢启动阶段，设置初始拥塞窗口为一个报文段，它随A C K 的
43、到来以指数方式增长。每接收到一个A C K，拥塞窗口增大1(C w n d=C w n d+1)，这样使传输网络在较短时间内满负荷运作。直到拥塞窗口值达到慢启动阈值，源端数据发送量达到甚至超过网络容量，这时路由器丌始丢包，表明源端发送数据超过网络传输承受能力，数据传输超负荷，于是T C P 进入拥塞避免阶段。b)拥塞避免阶段(C o n g e s t i o na v o i d a n c e)随着拥塞窗口的逐渐增大，网络逐渐达到满负荷运转，当拥塞窗口超过一个慢启动阈值的时候，进入拥塞避免阶段，减慢拥塞窗1 2 1 的增长速度，使之平稳接近网络传输上限，在使网络逐步达到满负荷运转的同时，避
44、免数据增长过快，导致网络拥塞。因此，在每个R T T 时间内，拥塞窗口不再是按指数增长，而是改为线性增长，每收到一个A C K，拥塞窗口增加1 C w n d(C w n d=C w n d+l C w n d)。c)快速重传(F a s tr e t r a n s m i t)随着拥塞窗口的增长网络负载逐渐加重，最终导致网络拥塞，引起丢包。当系统出现丢包时，默认为网络出现拥塞，当发现超时或收到三个重复的A C K 确认时，表示源数据端和接收端之间的网络上出现拥塞，这时T C P 协议进入快速重传阶段。T C P 将慢启动阈值设置为当前捌塞窗口的一半，降低发往网络的数据流量以缓解网络拥塞，同
45、时在不等待定时器超时的情况下立即重传数据包，提高传输效率。d)快速恢复(F a s tr e c o v e r y)在快速重传阶段丢失数据后T C P 就进入拥塞避免阶段，这就是快速恢复。快第9 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文速恢复将控制新数据的发送，直到收到一个非重复A C K 确认为止。实际上，收到重复的A C K 只表明有一个数据包丢失了，也就是说，此时，源端和接收端之间仍有数据在流动，发送方不必进入慢启动阶段急剧减少数据流。现有应用于有线网络传输的T C P 协议，主要采用的就是慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等捌塞控制机制。协议在有线传输信道内，取得了良好的数据传输
46、效果，采用这些拥塞控制算法的T C P 协议包括：T C P T a h o e、T C P R e n o 等。同时，在新版本的T C P 协议中，对拥塞控制机制进行了补充。它考虑到一个发送窗口内出现多个报文丢失的情况，在快速恢复阶段，不采用收到一个非重复的应答就退出快速恢复的策略，而是在收到所有应答后才退出快速恢复，避免了拥塞窗口和慢启动门限多次减半引起的网络效率低下。T C P N e w r e n o 就是采用上述算法的网络传输协议。同时，在一些实验中改进的T C P 拥塞控制算法如V e g a s，采用不同于传统的通过根据数据包丢失探测网络连接可用带宽的方法，而是根据传播延时b
47、a s e R T T 控制拥塞窗口。当R T T 时间变长，V e g a s 认为网络出现拥塞，降低拥塞窗口；而R 1 v r 时间变短，V e g a s 认为网络解除拥塞，扩大拥塞窗口。虽然各个传统版本T C P 协议采用了不同的拥塞控制机制，但是传统T C P 拥塞控制机制都是基于有线网络环境，认为网络拥塞是产生丢包的根本原因。因此，单一的采用降低数据源发往信道的数据量，以求缓解网络拥塞提高效率的方法，在有线网络数据传输中取得了良好的效果。但是，在卫星链路复杂的信道环境下，这种单一的拥塞控制方式，导致卫星链路T C P 协议数据传输出现了很大的问题。2 2 卫星链路特点及对T C P
48、 协议性能的影响卫星信道属于无线信道，它具有较高的信道误码率和较长的信号传播时延。另外，出于成本等因素的考虑，卫星链路带宽采用的是不对称的连接方式。这些都直接影响T C P 协议的性能，降低T C P 协议对卫星数据传输信道资源的有效利用。2 2 1 传播延时长地面网络的R T T 在几个到几十个毫秒内，卫星信道的传播延时则大的多，其传播延时大约为2 4 0 2 5 0 m s，往返时延R T T 达到4 8 0 m s 一5 0 0 m s 之间，行星之间的传播时延还要更长。长传播时延会严重影响T C P 的性能。首先延时过长使得s l o ws t a r t 阶段的T C P 拥塞窗口增
49、长速度变的十分缓慢。在慢启动阶段，捌塞窗1：3 通过计算接收端对前一数据包的应答A C K 到来控制数据发送量增长，长的延时导致应答数据包传输速度增长缓慢。R T T 时间越长，捌塞窗口增长越缓慢，数据传输连接滞留在慢启动阶段的时间越长，信道利用率也越低。短时间内无法使信道工作在满负荷状态下，协议由于无法充分利用可用链路带宽，第1 0 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文导致数据传输效率低下，严重影响T C P 传输性能。嗣时，长传播延时在T C P 检测和恢复丢失数据操作上影响很大。丢失数据的恢复是通过重传完成的，丽重传是建立在对丢失数据的检测上。T C P 对数据丢失的检测是通过超时
50、判断进行的，当已发送数据在规定时间内来收到应答，T C P 认为该分段已丢失并对其进行重传。在具有长时延的卫星网络中采用超时检测丢包同时重传丢包需要消耗大量时闽。长的往返时延导致T C P 设置较大昀重传超时值，并且在网络出现丢包时，T C P 协议默认网络出现拥塞并减小发送端数据发送速率，同时根据版本选择是进入慢启动阶段还是快速重传阶段。在上述任何情况出现后，卫星链路都因为其本身往返时闻长的特点，需要很长时闻彳。能再次充分利用链路带宽。另外，T C P 的最大吞吐量也受到R T T 和最大发送窗口(W i nm 歙)的限制，具体计算公式如下：T h r o u g h p u tm l 产W