卫星通信中TCP协议分析.doc

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1、卫星通信中TCP协议分析电子工程学院网络工程教研室　唐云　单洪摘要：因特网的应用中广泛地使用着ＴＣＰ／ＩＰ协议，如简单电子邮件协议（ＳＭＴＰ）、超文本传输协议（ＨＴＴＰ）、文件传输协议（ＦＴＰ）等。ＴＣＰ协议在有线网络中工作得是很好的，但是在卫星通信中却不能很好的利用它的带宽。传输的长延时、接收窗口的大小、网络中的拥塞等都成为卫星通信中的突出问题，为此本文提出了卫星通信中对ＴＣＰ协议进行改进的方法。　　１引言　　ＴＣＰＩＰ是目前进行网络数据传输时使用的主要协议族。该协议族中，ＴＣＰ和ＩＰ是核心，同时还包括一些其它协议。ＴＣＰ和ＩＰ协议分别控制着数据在互联网上的传输和路由选择。ＩＰ是一个为广

2、域网设计的无连接网络层协议，它被设计为网间互联协议，ＩＰ数据报可在几乎任何链路层协议上的网关（或路由器）间传递。从本质上说，ＩＰ无非是指导网络上的数据包从发方计算机送达收方计算机，而ＴＣＰ则负责确保数据在设备之间进行端到端的可靠交付。从这个意义上说，卫星链路对ＴＣＰＩＰ数据传输的影响主要体现在ＴＣＰ层。　　２．ＴＣＰ协议概述　　ＴＣＰ协议主要是通过积极的确认机制来传送数据。每一个数据段都包含了一个序号用来确定数据段在传输中的位置，这个序号由每个数据段的第一个字节在传送中的相对位置决定。比如，假设一个ＴＣＰ发端将发送一批数据，每段大小为１００字节，若第一段的序号定为Ｘ，则第二段的序号将为Ｘ＋

3、１００，以后各段依次类推（为了介绍方便，本文将不用标准的８比特数字来表示段的序号，而直接采用一般的数字）。接收端在收到数据后便可依据这些序号来重组数据，恢复成完整的信号。此外，收端在每收到一个数据段后便会向发端发一个确认信号ＡＣＫ　这个确认信号包含了下一个需接收数据段的序号。　　ＴＣＰ是一个滑动窗口协议。这种滑动窗口协议使发端可连续地发送一定数量的数据。发送数据时，当发端收到了收端的确认信号（ＡＣＫ）后，窗口便相应地向后滑动，以便能传送更多的数据段。每一个ＴＣＰ段（数据段或是ＡＣＫ）在其首部都许诺了一个窗口值，它的大小收到的数据段发送确认应答。　　由收端确定，是来自收端的流量控制，它限定

4、了发端滑动窗口的最大值。标准的ＴＣＰ所能许诺的最大窗口是６５５３５字节，因为在它的ＴＣＰ头中只有１６个比特用来定量窗口大小。　　ＴＣＰ应用了一系列的拥塞控制算法来解决拥塞问题。由于网络的容量有限，如果ＴＣＰ发端传输数据速率过高，那么网络中的路由器就会来不及处理这些数据段，数据段便拥塞在路由器处，若这些路由器又没有缓冲能力或缓冲能力有限，便会造成拥塞在路由器处数据段的丢失。当很多条通路都以高的速率向网络中注入数据时，若没有解决拥塞的办法，大量注入网络中的数据就会拥塞在路由器附近，导致数据丢失，不能到达目的地，从而引起发端不断地重发，这样就造成越来越多的数据注入到网络，却得不到正确的处理，网络

5、拥塞进一步恶化。ＴＣＰ的拥塞控制协议主要有四种，慢启动、拥塞避免、快速重发和快速恢复。下面简单地介绍一下这些算法。　　２．１启动和拥塞避免　　通过运行慢速启动和拥塞避免算法，ＴＣＰ能在不产生路由拥塞的前提下提高数据传输速率。ＴＣＰ发端采用一个可变的拥塞窗口（发端的滑动窗口），窗口大小不超过收端的通知窗口，ＴＣＰ不允许向网络中注入多于窗口大小的未经确认的数据。　　慢速启动通过增加发端窗口大小逐渐地增加数据注入量，当连接建立时或是网络中检测到拥塞时，此算法初始化拥塞窗口为一个数据段大小，每收到一个来自收端的确认后，拥塞窗口大小便增加一个段值的大小，这样传输速率便逐渐增加。当窗口值达到慢速启动门限

6、或是拥塞再一次被检测到时，慢速启动便停止工作。在连接建立时慢速启动门限被初始化为收端通知窗口值的大小。对于任何一个数据段，一旦超过了ＴＣＰ的重发时间（ＲＴＯ），ＴＣＰ便重发这个数据段，并认为网络发生了拥塞，这时慢速启动的门限降为拥塞窗口值的一半，拥塞窗口值置为一个段值大小，慢速启动算法开始工作，直到再次超过新的慢速门限或是再次检测到拥塞为止。　　拥塞避免在慢速启动工作完后开始生效。在这个过程中，拥塞窗口（Ｃｗｉｎｄ）的大小以十分缓慢的速度增长，每收到一个确认应答（ＡＣＫ）窗口值便增加１Ｃｗｉｎｄ（除非它的大小已经超过了收端通知窗口的大小），每一个往返时延（ＲＴＴ）大约增加一个段值大小。　

7、　２．２快速重发和快速恢复　　通过快速重发和快速恢复机制，ＴＣＰ能比依靠重发时间（ＲＴＯ）检测方法更有效地检测并恢复丢失的数据。ＲＴＯ等于（往返时延）ＲＴＴ加上一些变量，如果发端在重发时间内未收到确认应答，便重发数据段，如果ＴＣＰ的计时器间隔不大于ＲＴＯ的话，这种体制运行得是很好的，若大于则难于引发这个重发机制（如在许多有线网络中，ＲＴＴ小于５００ｍｓ，而ＢＳＤＵｎｉｘ操作系统计时器的时间间隔为５００ｍｓ）。