卫星链路上比较三种典型版本TCP的性能

摘 要：随着网络不断发展，人类面临的入网环境越来越复杂，卫星接入上网的方案在很多情况下是个很好的选择。但是卫星链路本身与传统链路有所不同，有自己独特的特性，这样就需要改进TCP方案，使其适应卫星链路的环境，从而提高TCP的性能。本文初步探讨了NewReno、TCP Cubic、Hybla三种典型TCP版本在卫星链路上的性能表现，希望能够找出一种令TCP性能在卫星链路上表现得更加出色的方案。

关键词：卫星链路；TCP性能；拥塞算法

1 研究背景

随着互联网的不断发展，越来越多的人们加入网络，适应网络，依赖网络，期待着随时随地享受网络的便捷服务。然而，受到自然环境等因素的影响，一些地域缺乏或难以架设地面网络设施。另外，人们还想更加自由地接入网络，不受线路的牵绊。因此，卫星接入上网是一个不错的方案，地球同步卫星链路会为移动用户提供一个方便快捷的接入网络。

但是，由于接入技术的改变，硬件、软件、现实条件都发生了变化，过去常见的旧的TCP版本不能适应新应用的要求，显示出较差的性能。总结其中原因，有如下几点：

1.1 卫星链路特性对TCP性能的影响

1.1.1 传输距离长，导致严重的传输延迟

地球同步卫星的高度大约有36，000公里，信息在卫星与地面接收站之间传输大约要250毫秒。

1.1.2 误码率高

相对于地面链路，卫星链路的误码率较高，从而使数据包的错误率增高。

1.1.3 数据传输速率低

在卫星链路上，只有最大10Mbps的上传速率。

1.2 TCP机制和算法对TCP性能的影响

1.2.1 三次握手

首先，一个TCP连接是通过接收端和发送端之间的“三次握手”建立的。

第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=x）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认（SYN：同步序列编号）。

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK（ack=y+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

在卫星链路上，即使是很短的数据交换，都需要至少几秒钟才能完成，降低了TCP的性能。

1.2.2 接收窗口rwnd的值

使用TCP发送数据时，前一个目的端发送来的数据包，会明确地规定好应用程序被允许的发送字节量，被称为“接收窗口”。这个值，通常被设置为8KB或16KB，这严重限制了TCP连接通过卫星可以达到的速度。

1.2.3 默认慢启动算法

TCP会以一个非常缓慢的速度开始发送，并缓慢增加，直到达到可用容量。这一过程需要几个RTT，而卫星链路本身有严重的传播延迟，因此，会花费很长的时间才能达到可用容量。当发生拥塞或其他原因的数据包丢失时，TCP的拥塞窗口值cwnd迅速减小，这个慢启动的过程又会重新开始。

1.2.4 包丢失导致乘法减小

TCP假定任何丢包都是由拥塞造成的。每当一个数据包丢失，TCP就减小拥塞窗口，从而减小传输速率。例如，每当检测到丢包事件，TCP NewReno将其传输速率降低为原来的50%。但是，卫星链路本身的误码率就很高，封包错误率就是在不发生拥塞的情况下观察到的。此外，卫星和地面链路容量之间的差异也会导致TCP性能较差，大量的包丢失可能会由于这种拓扑结构的改变而发生。

2 研究方案

从前面的研究来看，我们发现卫星链路有着自己的特性，但TCP方案没有很好地适应这些特性。有时候网络并未发生拥塞，只是本身的传输时间长或者有丢包等事件发生，却被误认为是拥塞，导致发送端的拥塞窗口值cwnd骤减，信道没有被充分利用，从而影响了TCP的性能。因而，想办法避免拥塞，及其导致的cwnd值骤减。下面是一些TCP的新版本，用来解决这些问题。

2.1 NewReno

这一版本采用快速重传技术和快速恢复技术。

超时重传是TCP协议保证数据可靠性的一个重要机制，其原理是在发送一个数据以后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送数据报的ACK报文，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。这是数据丢包的情况下给出的一种修补机制。一般来说，重传发生在超时之后，但是如果发送端接收到3个以上的重复ACK，就应该意识到，数据丢了，需要重新传递。这个机制不需要等到重传定时器溢出，所以叫做快速重传，而快速重传以后，因为走的不是慢启动而是拥塞避免算法，所以这又叫做快速恢复算法。

快速重传和快速恢复旨在快速恢复丢失的数据包。没有快速重传和快速恢复，TCP将会使用定时器来要求传输暂停。在暂停这段时间内，没有新的数据包被发送。

2.2 TCP Cubic

目前，Cubic是Linux中TCP协议的默认拥塞控制算法。它是TCP BIC的优化版本。TCP BIC的主要思想是确保对于往返时间RTT不同的各个流，能够公平地分享卫星链路上提供的容量。Cubic在设计上简化了BIC-TCP的窗口调整算法，在BIC-TCP的窗口调整中会出现一个有凹有凸的增长曲线（这里的凹和凸指的是数学意义上的凹和凸，即凹函数和凸函数），Cubic使用了一个三次函数（即一个立方函数），在三次函数曲线中同样存在一个凹和凸的部分，该曲线形状和BIC-TCP的曲线图十分相似，于是该部分取代BIC-TCP的增长曲线。

在Cubic的三次函数中由凹和凸两部分控制窗口的增长。第一部分是个凹函数，在这一阶段窗口快速增长到上一次拥塞事件发生之前的大小；第二部分是个凸函数，在这一阶段Cubic寻求更大的带宽，先慢后快。Cubic的大量时间都处在凹凸函数增长区之间的一个稳定状态上，这使得网络在开始寻求更大带宽之前，能够保持稳定。