基于TCP/IP协议的外交互式卫星通信

基于TCP/IP协议的外交互式卫星通信
    摘要：目前网络中兴起的多媒体通信业务有一个显著的特点，即用户收发数据量是不
对称的，其中接收的数据量远大于发送的数据量。外交互式通信基于非对称传输概念，上
下行传送带宽可以不相同，而且可以通过两种不同的物理链路分别实现上下行交互通信。
外交互式卫星通信就是下行利用卫星信道。而上行采用其它反向通信设备，从而降低整个
系统的成本。
    为了通过卫星提供高速有效的宽带业务，提出了基于TCP／IP的外交互式卫星通信模
式。这种模式中，卫星传输信道的延时长特性使最大数据传输速率受到限制，并使TCP协
议的基本拥塞控制协议性能下降。为此人对TCP协议的改进、基于信关站的特殊策略和采
用更有效的通信模式等几个方面讲解了相应的解决方案。最后介绍了多播协议在外交互式
卫星迈信网中的应用。
    关键词：卫星通信网  因特网  外交互式通信网 TCP/IP
    未来通信网络建设的目标是使用户可以随时随地应用网络进行通信。卫星通信网所具
有的极佳的无缝隙覆盖能力和独特的广播性能，使之成为实现该目标不可缺少的组成部分。
    随着因特网的广泛应用，与因特网互联、为用户提供宽带交互式的多媒体通信就成为
卫星通信的一个重要研究内容。基于TCP／IP协议建立的外交互式卫星通信正是针对此研
究内容提出的一种卫星通信模式。
    一、基于TCP／IP的外交互式
        卫星通信系统
    外交互式通信系统主要是针对目前网络中一些数据业务的传输特点提出的。目前网络
中兴起的多媒体点播、远程教育、远程医疗以及WWW浏览等业务都有一个显著的特点：用
户接收和发送数据量具有不对称性，用户接收的数据量远大于发送的数据量。例如：对图
书馆资料的查询，用户发出的申请信息只有几十字节，而要接收上兆字节的数据；常用的
WWW，BBS，电子邮件等业务，接收数据量和发送数据量的比例至少在5：1左右，而常用的
文件传输（FTP）服务，收发数据流量的比值高达20：1以上。在传统的交互式通信模式中，
上下行信道一般都是对称的，即接收和发送的信道带宽相同，信息往返传输都是在一种物
理链路上实现。这对于非对称模式的数据通信是不太合适的。一方面，上行带宽会浪费；
另一方面，下行负荷过重，容易发生拥塞。在卫星通信中，由于卫星地面站的发送设备价
格非常昂贵，如果采用卫星双向站来实现交互，对普通用户来说是难以接受的，更增加了
实用的困难。外交互式通信则基于非对称传输概念，从两方面改变了传统的交互模式。一
是上下行的传输带宽可以不相等；二是可以通过两种物理链路分别作为上下行信道来实现
交互通信。根据外交互式通信的特点，它十分适用于具有宽带广播信道的系统，例如在卫
星广播系统和有线电视系统中实现交互式通信。
    外交互式卫星通信就是下行利用卫星信道，而上行采用其他反向通信设备，例如：利
用电话拨号、局域网等技术进行反向数据通信，从而降低整个系统的成本。随着全数字解
调技术的成熟和大规模集成电路的发展，卫星数字传输的速率越来越高（已达几Mbit/S-几
十Mbit/s），接收设备越来越简单而且价格便宜。
    仅仅利用卫星的高速下传信道无法真正实现数据的无差错传输，也无法支持网络应用。
TCP/IP协议是目前计算机网络普遍采用的一种传输协议，如果不支持TCP／IP，各种基于该
协议的网络应用，如：FTP，WWW访问，E-mail等也就无法实现。为了与地面网络互联在通，
采用TCP/IP协议作为外交互式卫星通信系统的传输协议是必要的。TCP／IP协议通过本身的
差错校验和请求重传机制保证数据的可靠传输，所以要求信道必须是双向的。因此将现有
地面通信网或通信手段作为上行信道，可以满足TCP／IP协议本身对信道的要求，并将高速
卫星传输系统引入网络领域，同时也在一定程度上解决了地面网数据接收信道的拥挤问题。
目前我国地面通信线路发展迅速，电话已普及到农村，因特网也分布到全国大部分中小城
镇，外交互式卫星数字通信所需的地面网络已经形成。
    总体说，外交互式卫星通信利用了卫星通信和地面网络发展的最新成就，它使高速卫
星传输系统与廉价、方便的地面网络结合起来，为解决互联网的拥挤问题迈出了实质性的
一步。只需要分配一个载波的卫星资源，就可以同时实现单向广播和外交互式卫星通信。
系统中的卫星小站既可以接收高速广播的公众数据，又可以同时透明地浏览因特网。
    采用外交互式卫星通信主要具有以下几个特点。
    1．降低用户越的价格
    由于采用地面线路实现用户小站对主站的信息发送，小站不需要功率放大器，相应也
就不需要卫星通信所需要的发射设备，系统设备大大简化，无线可使用0.7－1.2m单收天线，
安装方便。系统对电源、地线、工作环境没有特殊要求。因此外交互式多媒体通信系统中
的用户站价格只有其它数据双向站价格的10％左右。
    2．实现无误码传输
    在卫星数据通信过程中，由于噪声和其它原因，误码是必然存在的。但在许多信息产
品传输过程中，不能容忍误码的存在。如压缩软件的传输，如果有一比特误码，收端收到
的文件在解压后也可能根本不能使用。在一般的卫星广播系统中对误码很难恢复或恢复代
价高。而在外交互式数据通信系统中，小站用户可以对接收到的信号进行校验，发现出错
后可以要求主站重发错误的文件或文件错误的部分，达到无误传输。
    3．传输速率高
    采用外交互式卫星通信方式可充分利用卫星的高速下行信道，除去协议和系统管理信
息总的开销，信道利用率可以做得很高。在信道不拥挤的情况下，用FTP调用主站数据的速
率可达几Mbit/s以上，而广播速率不受协议限制，可达全速，能充分利用信道传输能力。
    由于外交互式卫星通信具有以上特点，因此在实现远程教育和非实时交互远程通信的
卫星工程中采用这种方法具有突出的优越性。
    二、基于TCP／IP协议的外交互式
        卫星通信系统所面临的问题
    基于TCP／IP协议的外交互式卫星通信系统主要面临的问题是TCP协议在卫星信道中的
长延时问题。
    目前外交互式卫星通信系统所采用的信道主要是基于地球同步卫星的通信链路。一般
通过同步卫星信道，数据从发送端发出到接收端接收到所需的单跳时延是270ms，它的传输
延时远远大于地面信道的传输延时。
    TCP协议是基于滑动窗口和重传策略来实现数据的无误传输。滑动窗口协议允许发送端
在收到确认应答（ACK）之前根据当前允许窗口的大小继续发送数据包。TCP协议的基本思
想是在源端允许发送窗口不为0时发送数据包，并将其放入缓存器中，同时启动定时器，开
始计算数据发出到收到确认之间的往返时延（RTT）。在未超时情况下，若接收到正确接收
的确认，源端则从缓存器中将该数据包删除；如果定时器起时或收端请求重传，那么重发
该数据包。卫星传输信道的长延时特性使TCP协议控制策略的综合性能受到了影响，主要表
现在两个方面：最大数据传输速率受限和TCP协议的基本拥塞控制协议性能下降。
    1．最大数据传输速率受限
    TCP协议中的最大接收窗口在长延时卫星通信网中成为通信瓶颈。在ICP协议中，最大
接收窗口为64K字节，同步卫星信道的双跳时延是560ms。在这560ms中它最大能传输64 K字
节，这样卫星信道中的最大数据传输速率为64K×8／560＝0.94 Mbit／S。这表明，即使卫
星信道的发送速率超过0.94Mbit/s，它实际的最大传输速率也被限制在0.94Mbit/s。
    2．基本拥塞和流量控制协议性能下降
    TCP协议的基本拥塞控制协议是：慢启动（slow start）和拥塞避免（Congestion avo
idence）。在长延时的通信环境中效率很低。
    根据TCP协议，连接建立后，首先根据慢启动算法对流量进行控制。按照慢启动策略初
始发送窗口大小为1个基本数据包，然后按指数增大接收窗口。这样，从开始到恢复到最大
发送窗口所需的时间为：
    慢启动时间=RTT×1og2（max－win／MSS）其中：RTT为往返时延；max－win为TCP最大
窗口； MSS为每个数据包的长度。
    按照RTT＝0.5s，max－win=64K字节，MSS＝512字节，则侵启动时间为3.5s。这说明在
前3.5s内，TCP传输不可能达到峰值传输速率。这对数据量的传输影响很大。在实际应用中，
当发送窗口大于慢启动门限窗口后，便进入了拥塞避免过程，在拥塞避免算法中，窗口的
增加速率更加缓慢，不再是慢启动算法中的指数增加，而是呈线性增加的。一旦由于拥塞
或信道错误发生数据包的丢失，就会触发拥塞避免，这时将在很长时间内低于峰值发送速
率；如果发生了多个丢失，则需要更长的时间来达到峰值传输速率。
    三、相应的解决办法
    改进TCP协议在长延时信道中性能的策略主要有三类：针对卫星特点对TCP协议本身进
行改进；基于卫星信关站采用特殊的方法来提高TCP效率；采用更有效的通信模式。
    1．对TCP协议进行改进
    对TCP协议进行改进的方法主要有：
    （1）加大初始窗口
    RFC2414针对慢启动算法中初始窗口很小（仅为1）这一情况提出：
    初始窗口=min[4×MSS，max（2×MSS，4380）] 其中：MSS代表收发双方允许的最大数
据包长。
    按照这种方法，在慢启动算法中所需要的最大接收窗口恢复时间可以缩短为：
    Slow start time＝Rlog2Wa-Rlog2Wi。
其中：Wa为最大允许接收窗口，Wi为初始窗口。
    （2）快速重传和快速恢复
    增大初始窗口虽然使得窗口恢复时间缩短了，但是并没有改变慢启动算法和拥塞避免
算法结合的拥塞控制机制。将快速重传和快速恢复配合使用，就是为改进拥塞避免和慢启
动算法而提出的。当源端收到3个相同的确认信息时就判定发生拥塞，立即进行重发，同时
将窗口减半，慢启动门限设置为减小后的窗口大小，拥塞控制窗口比慢启动门限大3。当源
端收到一个新的确认信息后，将拥塞窗口的大小设置为慢启动门限，同时转入拥塞避免。
快速重传和快速恢复可以避免单纯利用超时重发引起的系统性能下降。但由于拥塞解除后，
发送速率的增长呈线性增加，所以在卫星信道中还有待设计更好的拥塞控制算法。
    （3）选择确认SACK
    选择确认SACK是针对TCP协议中的累积确认协议（Cumulative Acknowledgement）提出
的。SACK在确认信息中告知发送方已经正确接收到的数据包，发送方只需重发出错包，这
就避免了不必要的数据重传。
    2．基于信关站的特殊策略
    TCP协议采用的是端到瑞控制方式。将拥塞控制放在拥塞发生的信关站会得到更好的效
果。严格说，在信关站采取的策略不属于TCP协议。由于信关站对拥塞控制具有直接性，因
此对网络传输具有比较好的改进效果，主要的方法有：
    （1）随机及早监测
    当缓存器长度超过门限时，按照一定的概率进行丢失。
    （2）明确拥塞指示
    信关站向源端发出明确的拥塞指示，源端据此指示减少拥塞窗口和侵启动门限。
    （3） TCP欺骗法
    在确认信息尚未到达时，信关站作为虚拟的目的节点向源端发送确认信息使得源端可以
继续发送下一数据包，同时信关站又作为虚拟的源端向真正的目的端发送数据，这样对源端
可以减少确认信息的往返时延，从而提高源端的发送速率。这种方法仅适用于链路质量非常
好的网络，对链路质量差、网络和安全性要求高的业务都不适用。
    （4）延时确认
    延时确认是当网络拥塞时信关站通过对返回的确认信号进行延时，源端在收不到确认信
号时就会减小发送速率，以此减缓拥塞的发生。此方法在拥塞不严重时效果明显，但在拥塞
严重时效果不很明显。
    3．采用更有效的通信模式
    在卫星这种具有长延时特性的通信系统中，有效地提高信道利用率一直是努力方向。多
播（Multicast）协议是目前运用于具有广播能力的网络中的一种IP层协议，它能够有效地
提高信道利用率。在卫星通信网中实现多播的可靠传输已经成为一个应用和研究的热点。
    四、多播协议在外交互式卫星通信
        网中的应用
    在传统的因特网中，从一台服务器发送出的每个数据包只能传送给一个客户机。如果有
另外的用户希望同时获得这个数据包的拷贝是做不到的。解决的办法是构建一种具有点对多
播能力的因特网。多播技术是一种支持数据广播和用户有权限接收，充分利用网络带宽的新
技术，其目的在于当同时向许多企业或个人发送信息时，减少网络中的流量，从而减少引起
网络拥塞的可能性。
    多播协议具有以下优点。
    1．减少信源端的数据重复发送量
    根据多播协议，将用户分成不同的群组，每个用户可以同时属于几个不同的群组。数据
按照广播形式在群组中发送，只有有接收权限的群组用户才能接收到数据。在传统的单播（
Unicast）协议中，多个用户向同一信源申请同一数据内容时，信源需要将数据多次复制，再
—一发送出去。而通过多播协议就可以将这些用户分成一个群组，由一个支持多播协议的路
由器将用户的请求发出，信源端正确接收到请求后，将数据下行广播给用户。因此，利用多
播协议可以减少网络需要传输的数据量。对支持多播协议的路由器，只需由末端路由器将数
据发送给群组用户，因此网络传输的数据量小于点到点协议。
    2．减少对不必要数据的检测与接收
    在传统的广播协议中，用户必须接收和检测所有
数据，从中选择自己所需要的数据；而在多播协议中，
首先由路由器识别所接收到的数据是否是本群组的，
经过路由器的过滤，单个用户都需要检测的数据量就
可以在一定程度上减少。
    目前网络用户对视频点播、远程教学等非对称性业务（也就是上行业务量远小于下行业
务）需求不增大，利用卫星广播信道为这类业务提供服务则是一种最经济的方式。因此在外
交互式卫星通信系统中可以采用多播协议来提高信道带宽利用率。
   五、结语
    本文对基于TCP/IP协议的外交互式卫星通信系统进行了详细的介绍，并对系统中所面临
的一些问题和主要的解决方案进行了分析。
    在外交互式卫星通信中，多播协议对提高广播信道的信道利用率十分有效。因此结合多
播传输方式，对TCP协议进行改进，不仅是基于TCP/IP协议外交互式卫星通信系统的一个重
要课题，也是网络通信中的一个重要研究内容。