TCP在卫星网络中的适应性分析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：因此，在长时延的卫星网络中，TCP的发送窗口必然增长缓慢。由此可见，传统的TCP难以适应卫星链路频繁中断的环境。

2.3.2.1　卫星长时延对TCP的影响

长时延对TCP的影响主要体现在最大吞吐量受限、发送窗口增长缓慢和丢包恢复缓慢3个方面。

1）最大吞吐量受限

TCP是以滑动窗口的方式进行流量控制的。假设一个TCP连接的最大发送窗口大小为Winmax，发送端和接收端之间的往返时延为RTT，则该TCP连接的最大吞吐量Throughputmax为

Throughputmax=Winmax／RTT

标准TCP中的窗口大小为64 kB，可推导出，当RTT为1 ms时，对应的最大吞吐量为512 Mb／s。在RTT为几毫秒到十几毫秒的地面网络中，最大吞吐量通常比较大，一般不会成为TCP传输的“瓶颈”。然而，在RTT为500 ms的卫星链路中，最大吞吐量为1 Mb／s，可见，随着RTT的增加，若TCP窗口保持不变，TCP业务的最大吞吐量就会降低。如果要提高TCP业务的吞吐量，保证带宽的充分利用，必须增加TCP窗口的大小。但是，在许多TCP所依赖的操作系统中，通常窗口是预先设置的，大小固定，且不能随意更改。

2）发送窗口增长缓慢

在TCP的拥塞避免阶段，发送端的发送窗口值从慢启动门限开始，每发送1个窗口的报文段并确认成功后，发送窗口值就增加2个最大报文段。由此可知，发送窗口的增长与往返时延密切相关，往返时延越长，发送窗口增长越缓慢，有效带宽利用率就越低。因此，在长时延的卫星网络中，TCP的发送窗口必然增长缓慢。

3）丢包恢复缓慢

超时检测是TCP判断丢包的主要手段，通过对每一个发出的报文段都生成一个重传定时器，如果发送端在重传定时器超时时，仍然没有收到对本报文段的确认，TCP认为该报文段已经丢失，会对其进行重传。重传定时器的超时值是以往返时延为基础计算出来的，往返时延越长，重传超时值也就越大。因此，在长时延的卫星网络中判断丢包本身将会花费较长时间。当TCP通过重传定时器超时判断出网络中出现丢包后，发送窗口将会减小一半，并重新开始指数增长。也就是说，TCP连接要经过很长一段时间才能再次恢复到丢包前充分利用链路带宽的状态。

2.3.2.2　高误码对TCP的影响

TCP／IP协议最早提出是基于地面网，地面网信道稳定，误码率较低，通常在10-10量级。受所选频段特性、卫星轨道特性、气候等因素的影响，卫星网络误码率通常在10-4～10-7量级，甚至会导致非正常通信。此时不仅有随机误码，还会出现突发误码。

由于TCP是基于误码率较低的地面网络而开发的，TCP会忽略信道误码而造成数据包丢失的情况，认为所有数据包丢失都是由信道拥塞造成的。这样，当TCP检测到数据包丢失时，就会立即按照“乘性减少”的原则降低发送速率，以缓解信道拥塞。这种处理方式在地面网中非常合理，由于地面网络中数据包的丢失大多是因为信道拥塞而造成的，要想尽快从拥塞状态恢复至正常状态，大幅度地降低发送速率确实是最有效的方法。但在卫星网络中，丢包也有可能由信道误码引起，若直接采用降低发送速率的处理方式就显得非常片面。卫星信道虽然出现了误码，但并没有发生拥塞，此时的卫星信道带宽仍然能满足目前传输速率的需求，如果将丢包的原因归结为拥塞，采取降低发送速率的处理方式，显然不能充分利用卫星信道带宽资源。因此，在高误码条件下，TCP主要存在的问题在于其无法区分数据包的丢失是由信道误码造成的还是由信道拥塞造成的。如果是由误码造成的，最高效的处理方法是立即重传丢失的数据包，重传成功后仍以丢包发生前的速率进行传输。

2.3.2.3　不对称信道对TCP的影响

卫星网络前向链路带宽远大于反向链路带宽，前向和反向链路带宽极其不对称。使用较慢的反向链路，可以节约宝贵的卫星带宽资源，设计性价比更高的接收机。在信道不对称的场景下，使用标准TCP进行数据传输时，前向数据流量与反向确认流量之比约为50∶1。因此，在前向信道带宽与反向信道带宽之比大于50∶1的情况下，使用TCP传输数据时，确认包极易在反向信道中发生拥塞，会对TCP传输产生不利影响，主要体现在以下两个方面。

（1）无论是慢启动阶段的指数增长，还是拥塞避免阶段的线性增长，发送端发送窗口的增长都是以收到接收端的确认包为前提的。也即发送端只有在接收到正确的确认包以后才会扩大发送窗口。反向信道的拥塞会造成部分确认包不能及时反馈给发送端，从而影响发送端发送窗口的正常增加，导致前向信道不能被充分利用。

（2）反向信道的拥塞常会导致发送端重传定时器超时，从而减少发送窗口，使传输速率大幅降低，最终严重恶化TCP的传输性能，造成前向卫星链路带宽资源的浪费。

2.3.2.4　频繁中断对TCP的影响

在卫星网络中，经常会发生通信中断的情况，中断按时间长短可分为短时中断和长时中断，这两类中断均会给TCP传输造成不同程度的影响：

（1）短时中断。假设通信链路中断时间较短，TCP连接没有因超时而拆除，但会出现丢包并进入慢启动阶段。在此情形下，通信链路恢复正常后，通过标准TCP恢复到充分利用信道带宽的高速传输状态所需时间会很长。

（2）长时中断。当通信链路中断超过一定时长后，TCP会拆除传输连接，导致即使通信链路恢复正常，数据传输也无法继续。

由此可见，传统的TCP难以适应卫星链路频繁中断的环境。

TCP在卫星网络中的适应性分析

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