TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中的應用

□ 北京大學電子學系 金野 項海格

TCP/IP協(xié)議的概念產生于70年代，并在80年代得到了迅速的完善和發(fā)展。在90年代，TCP/IP協(xié)議已毫無爭議地確立了在數(shù)據(jù)通信協(xié)議中的主導地位。至今，TCP/IP協(xié)議已經是數(shù)據(jù)通信標準的代名詞，是唯一可以通達世界范圍內Internet聯(lián)接的通信協(xié)議，也是任何數(shù)據(jù)用戶終端最先支持的協(xié)議標準。隨著網(wǎng)絡通信容量的不斷增加和計算機信息處理能力的不斷提高，TCP/IP協(xié)議正在成為“唯一”

的選擇，所謂“Everything Over IP”。衛(wèi)星通信是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的重要形式，傳統(tǒng)上是作為“通信子網(wǎng)”，即只支持網(wǎng)絡層以下的功能，是數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐该魍ǖ�。為更有效地提供�?shù)據(jù)傳輸業(yè)務，減少與其他網(wǎng)絡協(xié)議的接口轉換，TCP/IP在衛(wèi)星通信網(wǎng)中的應用已受到關注。

我們將討論TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星通信網(wǎng)中應用產生的問題和相應的解決辦法，我們也認為TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星通信網(wǎng)中的應用是完全可行的，通過對一些TCP/IP協(xié)議工作模式和參數(shù)的調整，能實現(xiàn)衛(wèi)星通信網(wǎng)對TCP/IP協(xié)議和其他基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的高效、可靠的支持。

一、TCP/IP協(xié)議

首先對TCP/IP的定義和主要功能作一個簡要的總結。描述數(shù)據(jù)通信協(xié)議的最通用和清晰的方式是參照OSI七層協(xié)議的標準。圖1是TCP/IP協(xié)議結構與OSI七層協(xié)議結構的相關定位。如圖1中所述，TCP/IP協(xié)議是一個包含了主要的網(wǎng)絡層功能，全部傳輸層功能和一部分會話層功能的協(xié)議棧（stack）；它向下依靠低層的介質訪問層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議提供的點對點數(shù)據(jù)包傳輸能力；它向上通過標準的服務接口（socket）向上層應用協(xié)議提供端到端的數(shù)據(jù)塊傳輸業(yè)務，這一數(shù)據(jù)塊傳輸可以是面向聯(lián)接的可靠傳輸（TCP），也可以是面向報文的非可靠傳輸（UDP）。TCP也完成會話層的一部分功能，支持端到端連接的建立、維持和拆除�？傊�，TCP/IP協(xié)議遮掩了不同類型網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)轉接的細節(jié)和不同數(shù)據(jù)終端設備的系統(tǒng)軟硬件的差異。

利用OSI中對各層協(xié)議的定義，可以較簡明的說明TCP/IP的主要功能：（1）IP層協(xié)議，它實現(xiàn)網(wǎng)絡層的尋址、路由和轉接功能，將數(shù)據(jù)報文從源數(shù)據(jù)設備轉發(fā)到目的設備，只面對獨立報文，不面向聯(lián)接，它支持報文的分解與重組，不保證報文傳輸?shù)目煽亢蛨笪拈g的先后次序；（2）TCP層協(xié)議，它實現(xiàn)源數(shù)據(jù)設備和目的數(shù)據(jù)設備間的可靠的數(shù)據(jù)塊傳送，支持數(shù)據(jù)拆、打包（PAD）、差錯控制（檢錯糾錯）、順序控制、流量與擁塞控制等。

衛(wèi)星通信主要是傳送數(shù)據(jù)的通信子網(wǎng)，而不是產生數(shù)據(jù)源的業(yè)務子網(wǎng)。衛(wèi)星通信網(wǎng)的主要功能是支持網(wǎng)絡層以下各層的數(shù)據(jù)包傳送業(yè)務，與IP層協(xié)議直接相關并可以支持IP層協(xié)議形成端到端連接。但由此形成的端到端聯(lián)接的延遲、速率、誤碼率等信道特性會對終端設備上的TCP協(xié)議產生實質性影響，是TCP協(xié)議在衛(wèi)星通信網(wǎng)中應用必須考慮的問題。

二、TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)中的應用

由于衛(wèi)星通信是經過天上衛(wèi)星轉發(fā)器這一固有的特點，衛(wèi)星通信網(wǎng)基本上有兩種網(wǎng)絡結構：星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。這樣的網(wǎng)絡結構相對于地面的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡來說要簡單的多，因此，路由選擇、擁塞控制、多路徑傳輸沖突等網(wǎng)絡層協(xié)議控制的主要功能在衛(wèi)星網(wǎng)中都沒有真正的體現(xiàn)，而這些正是IP協(xié)議的強項，所以很少有衛(wèi)星通信網(wǎng)使用復雜的IP協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡層功能。

正如IP over ATM，IP over Frame Relay等IP應用環(huán)境一樣，衛(wèi)星通信網(wǎng)支持IP協(xié)議的最簡單方式也是IP

over SatNet。這里，SatNet是衛(wèi)星網(wǎng)內部網(wǎng)絡層以下各層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議組成的協(xié)議棧，通常會有一個能完成衛(wèi)星網(wǎng)內數(shù)據(jù)包目的尋址和路由轉接的網(wǎng)絡層。在一些使用DAMA等頻道資源復用技術的衛(wèi)星網(wǎng)中，還需要有一個動態(tài)分配資源的介質訪問層（MAC）。這兩部分統(tǒng)一稱為Net/MAC層，建立于其下層提供的數(shù)據(jù)鏈路層服務之上。

這樣一種IP over SatNet的模式可以用圖2的協(xié)議層狀圖來描述。

在很多情況下，如在一個網(wǎng)格狀衛(wèi)星網(wǎng)中，衛(wèi)星鏈路的建立便確定了數(shù)據(jù)鏈路的唯一路程，既沒有尋址路由的要求，也不需要資源配置。這時可以取消圖2中的Net/MAC層。這時IP是“透明”地經過衛(wèi)星網(wǎng)，沒有額外的協(xié)議開銷。這種情形似乎對TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)中的應用的必要性提出了挑戰(zhàn)。但這種網(wǎng)絡形態(tài)在衛(wèi)星網(wǎng)的拓撲結構和數(shù)據(jù)業(yè)務都非常簡單，僅限于在嚴格的“通信子網(wǎng)”的情形下才成立。隨著衛(wèi)星網(wǎng)功能的增強，這一簡單的網(wǎng)絡形式已不再適用。例如，網(wǎng)絡管理已成為衛(wèi)星通信網(wǎng)的必要組成部分。從功能上看，網(wǎng)絡管理子系統(tǒng)屬于上層應用軟件，即Application。它依賴于下層的通信協(xié)議提供的數(shù)據(jù)傳輸服務�，F(xiàn)在最為通用的網(wǎng)管協(xié)議是SNMP（Simple

Network Management Protocol），而SNMP是建立在UDP提供服務的基礎上的，在不直接支持IP協(xié)議的“透明”網(wǎng)絡結構中，類似SNMP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和使用這些協(xié)議的上層業(yè)務都無法實現(xiàn)，根本限制了衛(wèi)星網(wǎng)的功能與服務。僅憑這一點，就足以說明在衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中支持TCP/IP協(xié)議的意義。TCP/IP協(xié)議正是依靠其廣泛的軟件支持而壓倒其他可能在“技術上更好”的通信協(xié)議而成為Internet的標準。

支持TCP/IP協(xié)議的衛(wèi)星通信網(wǎng)協(xié)議層狀結構如圖3所示，各網(wǎng)絡節(jié)點都支持IP協(xié)議。

三、衛(wèi)星通信網(wǎng)對TCP協(xié)議控制的影響

支持IP只是在衛(wèi)星網(wǎng)中實現(xiàn)了IP數(shù)據(jù)包的非可靠傳輸，差錯和流量控制這些保障通信質量和效能的協(xié)議控制，都是由兩端數(shù)據(jù)終端上的TCP協(xié)議來實現(xiàn)的。相對于各種類型的地面網(wǎng)，衛(wèi)星網(wǎng)的突出特點就是大的傳播延遲，一跳的延遲達到0.25秒。這不是說衛(wèi)星網(wǎng)沒有其他的特點，衛(wèi)星發(fā)射、接收、調制解調等都有著鮮明的特點，只不過這些特點都在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，對上層的IP和TCP協(xié)議沒有影響（層狀協(xié)議優(yōu)點的體現(xiàn)）。TCP所見的是一條端到端的邏輯通路，由傳播延遲、誤碼率、信道速率等參數(shù)所定義。對同步衛(wèi)星通信網(wǎng)，這些數(shù)值的典型值有：傳播延遲Td

= 0.25s / 跳；誤碼率Er = 10-4 ~ 10-7 信道速率R = 2.4 Kbit/s ~ 4Mbit/s。TCP的差錯和流量控制是一個相當復雜的問題，這里只討論其基本的機制和參數(shù)。

TCP采用窗口發(fā)送、逐幀應答、超時重發(fā)的方式實現(xiàn)差錯和流量控制。TCP基本模式具體采用以下機制。

1.發(fā)送窗口控制。發(fā)送窗口可以編程設定，但更主要的是依靠TCP協(xié)議本身調節(jié)。TCP協(xié)議可通過在數(shù)據(jù)幀和應答幀中加入時間標簽的方式來測定環(huán)路的雙向傳播延遲RTTM（Round

Trip Time Measurement），并進而根據(jù)信道速率確定窗口長度。對最大發(fā)送字節(jié)數(shù)的另一個限制是接收方的數(shù)據(jù)緩存長度，在TCP基本模式中這個值是64Kbytes。

2.糾錯重發(fā)。采用Go-back-to-N的重發(fā)方式，即從收方應答中發(fā)現(xiàn)錯誤的幀，重發(fā)這一幀直到發(fā)送窗口中已發(fā)送的最后一幀。

3.慢啟動與擁塞控制。在TCP協(xié)議的正常使用環(huán)境，尤其在有可靠的數(shù)據(jù)鏈路層差錯控制的條件下，一個或多個IP包的超時丟失意味著網(wǎng)絡發(fā)生擁塞，網(wǎng)絡中的IP轉接節(jié)點開始丟棄IP包。在這種情況下，繼續(xù)按原窗口發(fā)送會造成進一步的阻塞。TCP協(xié)議此時會把發(fā)送窗口縮小到1個IP包，并在接到成功應答后逐次（每次遞乘以2）增大窗口到原有的設定值，即所謂慢啟動與擁塞控制。

影響TCP差錯與流量控制的最重要參數(shù)，是端到端邏輯信道的歸一化傳播延遲a=信道傳播延遲/數(shù)據(jù)包傳輸延遲

即a=Td /Tf =(D/E)/(L/R)，其中， D：收發(fā)兩端間傳輸介質長度，E：電波在介質中的傳播速率，L：數(shù)據(jù)包比特長度，R：信道比特速率。

通過衛(wèi)星通信網(wǎng)的端到端傳播延遲是衛(wèi)星網(wǎng)內傳播延遲與地面網(wǎng)傳播延遲之和，在多數(shù)情況下以衛(wèi)星信道傳播延遲為主，即Td≈0.25s，所以a=R/4L

。其中，L由TCP協(xié)議決定。對TCP基本模式，長度在40 bytes到1024 bytes之間。設衛(wèi)星信道速率為端到端的有效速率（衛(wèi)星信道速率通常低于地面網(wǎng)信道，是速率瓶頸），對應于500

bit ~ 10000 bit的包長，2.4kbit/s ~ 4Mbit/s的速率，可知a的范圍：a=0.06~2000。

窗口發(fā)送方式下，為避免發(fā)送窗口不必要的限制發(fā)送數(shù)據(jù)流，最多可發(fā)送IP包數(shù)的窗口值Wp應高于（1+2a），即Wp≥0.12~4001。在TCP協(xié)議中，發(fā)送窗口單位不是最多可發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)，而是最大可發(fā)送字節(jié)數(shù)Wb。顯然，這個數(shù)值不能高于收方的接收緩存長度，對TCP的基本模式而言，這個值是64Kbytes。

依照前面的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星通信網(wǎng)發(fā)送窗口字節(jié)數(shù)：Wb=Wp×L/8=R/16，Bytes對4Mbit/s速率而言：Wb=250Kbytes>>64Kbytes。這表明TCP的基本模式在高速衛(wèi)星網(wǎng)中直接應用會出現(xiàn)發(fā)送窗口限流，將發(fā)送效率降到僅約25％，因此有必要對TCP參數(shù)加以調整。

如上所述，在使用不限流發(fā)送窗口時，最多已發(fā)送而未應答的數(shù)據(jù)包可以多達數(shù)百甚至數(shù)千；在誤碼率10-6的較好情況下，1個1024

bytes長度數(shù)據(jù)包的誤包率可達1/10。這時Go-back-to-N重發(fā)機制根本無法工作，必須使用選擇重發(fā)（Selective-resending），即只重發(fā)收方指明出錯的數(shù)據(jù)包。同時，這樣大的發(fā)送窗口也會直接影響到慢啟動和擁塞控制。TCP基本模式的這兩種控制此時需要很長的時間使窗口回復到正常值，會極大的降低發(fā)送效率。此時TCP協(xié)議可使用比1更大的初值和比×2更大的步進方式來提高傳輸效率。

綜上所述，衛(wèi)星通信網(wǎng)的長傳播延遲在較高信道速率下會造成TCP協(xié)議傳輸效率下降。由于TCP協(xié)議是在兩端實行控制，衛(wèi)星網(wǎng)對這一調整無能為力。而TCP協(xié)議的一些擴展模式提供了適應于這一信道條件的機制和參數(shù)。

四、TCP協(xié)議的擴展

下表1所示的TCP報頭定義中，在20bytes長度的既定報頭外，允許40 bytes的選擇報頭。這一選擇項為TCP協(xié)議的擴展留下了空間。

在TCP建立端到端聯(lián)接時，要經過SYN/ACK握手才能實現(xiàn)同步。TCP協(xié)議擴展可在這一握手過程中在選擇報頭段添加選擇項參數(shù)，通過參數(shù)握手定義不同于基本模式的擴展參數(shù)。這些擴展參數(shù)只對本次TCP聯(lián)接有效。

TCP擴展協(xié)議RFC1323、RFC2018、RFC2581和RFC2001支持的協(xié)議擴展直接解決了TCP在衛(wèi)星網(wǎng)中的應用所遇到的問題。

RFC1323針對延遲大、速率高的網(wǎng)絡，即所謂的“Long-and-fast Network”。通過前述的擴展參數(shù)握手，收方可以響應發(fā)方請求，在本次聯(lián)接中將接收緩存區(qū)調整到大于64k

bytes，一般取2n·64k bytes。這樣允許發(fā)方使用更大的發(fā)送窗口，提高傳輸效率；RFC2018定義了Selective-Resending的選擇重發(fā)模式，使TCP在大發(fā)送窗口和較高誤碼率的情況下也可以高效工作，適用于衛(wèi)星網(wǎng)的應用。應注意現(xiàn)今并非所有的TCP協(xié)議版本都支持這個擴展；RFC2581和RFC2001定義通過參數(shù)握手可使用不同于基本模式的慢啟動和擁塞控制參數(shù)，使用戶在衛(wèi)星網(wǎng)中使用TCP協(xié)議時可以根據(jù)實際情況選擇合適的參數(shù)。

這些TCP協(xié)議的擴展有效地解決了在衛(wèi)星網(wǎng)中支持TCP/IP協(xié)議所遇到的問題，顯示了TCP/IP協(xié)議作為最受廣泛支持的協(xié)議標準的適應性和靈活性，使得TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)中的應用更為有效。而且這些擴展是由兩端的TCP協(xié)議來實現(xiàn)的，沒有增加衛(wèi)星網(wǎng)通信協(xié)議的負擔。但由于同樣的原因，衛(wèi)星網(wǎng)的開發(fā)設計者也較難于針對特定用戶業(yè)務對衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)議的要求做出反應。由此，TCP/IP協(xié)議是完全可以應用于衛(wèi)星通信網(wǎng)中并得到較高的傳輸效率。使用TCP/IP協(xié)議也使衛(wèi)星通信網(wǎng)具有最廣泛支持的開放協(xié)議平臺，可以方便的采用主流軟硬件開發(fā)成果，降低費用，增加數(shù)據(jù)業(yè)務種類�？梢哉f，采用TCP/IP協(xié)議將是衛(wèi)星通信網(wǎng)協(xié)議體制的主流方向。

摘自《通信世界》