空间站SCPS—TP协议转换网关的设计和实现

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1、Vo1．18No．2载人航天第18卷第2期40MannedSpaceflight2012年2月空间站SCPS—TP协议转换网关的设计和实现张磊，孟新，卞春江，陈宇，周海(中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100080)摘要基于空间站与地面站之间的通信特点及其对于TCP传输性能的影响，在充分if-4用空间通信链路的基础上，提出了一个适合于空间站通信环境的基于TCP分段思想的SCPS—TP协议转换网关，详细讨论了协议转换网关的设计思想和实现方案，并对协议转换网关的进行了性能测试。关键词TCP分段连接；协议转换；SCPS—Tp中

2、图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：1674—5825(2012)02—0040—05(3)链路不对称。实际的空间通信中的带宽是1引言不对称的，而TCP协议假定传输带宽是对称的，不对目前，国际空间站内部已经建成基于IP的局域称的带宽会造成TCP传输性能的下降。网，航天员可在国际空间站内部对地面互联网进行(4)断续连接。断续连接会引起TCP反复重启访问，因此，未来空间站与地面实现基于IP的交互动连接、或重新传输，从而造成网络拥塞，阻碍在卫式通信是必然的趋势。我国空间站与地面的之间数星数据传输中的应用。据链路将会采用多颗中继

3、星实现全覆盖通信。由于为了现有的TCP协议能够适用于空间通信链空间链路的特殊性，使得应用于地面网络的TCP协路，目前主要有四种技术手段：议在空间链路上性能严重下降。空间链路对TCP传(1)针对高误码率，进行链路层改进，采用各种输的影响如下：纠错编码，如前向纠错(ECC)和自动重传(ARQ)，可(1)长延迟。TCP协议通过确认信息和重传机较好的降低误码率。但由于在链路层采用差错控制制来进行流量控制和可靠传输。如果在长时间内无会引人数据冗余，降低带宽的使用率，无法改善端到确认信息，TCP协议就会认为数据包已经丢失，而进端的传输眭能

4、，而且需要修改用户原有的网络设备，行重传机制。由于典型的卫星通信延时在540ms左具体实现时很复杂。右，这会造成TCP协议的不停地重传，引起通信链路(2)对TCP协议本身进行扩展改进，如采用美的拥塞。国空间数据系统咨询委员会专为空间通信“量身定(2)高误码率。TCP协议中假定通信质量是良制”了空间通信协议传输协议SCPS—TP，会引起改进好的，误码率很低，因此，在TCP协议中没有差错控的TCP协议与原有的传输协议兼容的问题，而且单制和恢复机制。由于实际的空间通信中有很高的误单使用SCPS—TP来改进TCP传输性能会要求用户码，

5、TCP协议不能区分出是网络阻塞造成的数据丢修改现有的所有网络设备，包含用户终端和网关，难失或是误码造成的数据丢失，会一律认为是网络阻以实现。塞造成的，从而降低TCP的发送窗口，引起传输的带(3)TCP欺骗的方式，给传输源制造一个假象，宽下降。使得传输源可以继续发送下一个数据包而不用等待收稿日期：2011—03—21；修回日期：2011-11-23作者简介：张磊(1982一)，男，硕士，工程师，主要从事卫星网络研究工作。E—nlail：zh18223@css．ac_cn第2期张磊等：空间站SCPS—TP协议转换网关的设计和实现4

6、1终端的确认。主要是克服长延时对慢启动算法的影个采用SCPS—TP协议的协议转换网关。响，在链路质量比较好的网络中，可提高数据的发送2协议转换网关的设计和实现率，但链路质量不好的网络不适用，特别是卫星通信网络中采用这种方式仍会受到滑动窗口大小和信道本文中设计的协议转换网关，采用TCP分段连误码的影响，导致数据传输率下降。接的技术，并在中间段采用SCPS—TP协议来增强传(4)采用TCP分段连接，将一个端到端的TCP输性能。如图1所示TCP性能增强协议有很多种，传输连接，分为三段，在不同段可采用不同的协议。根据文献[131、[1

7、4]、[15]，SCPS—TP的性能最佳，它是在两边继续采用传统的TCP协议，而在中间端采用TCP协议用于空间网络的扩展，是一个非常高效的专用的协议来增强卫星链路的传输性能。通信协议。SCPS—TP对TCP协议所做的重要修改如根据以上的改进措施的分析，本文中结合TCP表1所示，其中一个重要改进就是增加了SNACK机分段思想和TCP协议改进的思想，设计并实现了一制，该机制改善了SCPS—TP在高误码率环境下的表端口A端口B端口A地面终端地面网关空间通信链路空间站网关空间站终端图1协议转换网关示意图表1SCPS—TP针对TCP适应

8、空间通信的改进措施影响因素对空间通信的影响针对TCP的改进措施数据损坏响应误码率1O～10SNACK端到端包头压缩往返时延秒大窗口一小时定时器修改链路持续性断续SCMP链路中断支持速率控制前反向速率比10：1～2000：1改进ACK策略包头压缩处理能力低包头预计算链路连接时间