王金苗 葉建設 許鵬文

1. 裝備指揮技術學院訓練部，北京 101416；

2. 裝備指揮技術學院信息裝備系，北京 101416；

3. 裝備指揮技術學院裝備采辦系，北京 100720

衛(wèi)星鏈路上SCPS-TP協(xié)議中的SNACKTCP性能分析

王金苗1葉建設2許鵬文3

1. 裝備指揮技術學院訓練部，北京 101416；

2. 裝備指揮技術學院信息裝備系，北京 101416；

3. 裝備指揮技術學院裝備采辦系，北京 100720

闡述了將空間互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議SCPS-TP用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的概況，介紹了將現(xiàn)有TCP協(xié)議擴展到空間的TCP頭部壓縮策略和ACK控制算法改進，以SCPS-TP協(xié)議所使用的SNACK機制為研究對象，對其在GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路中的應用進行NS2環(huán)境下的仿真模擬實驗，比較分析了SNACKTCP和傳統(tǒng)TCP的性能，有針對性地進行了鏈路誤碼率變化實驗結果分析，證實了SNACKTCP在衛(wèi)星通信環(huán)境下的優(yōu)良性能。

衛(wèi)星通信；SCPS-TP協(xié)議；SNACKTCP；NS2

引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋面廣、可擴展性強、用戶接入方便和不受地域條件限制等優(yōu)點，是地面光纖難以鋪設或人口稀疏等偏遠地區(qū)進行長距離寬帶網(wǎng)絡接入的一種重要補充手段。與地面環(huán)境具有明顯不同的是，衛(wèi)星鏈路信環(huán)境具有不對稱信道、高信道誤碼率、長傳輸延遲和間歇性連接等特點，將基于地面互聯(lián)網(wǎng)設計的傳輸控制協(xié)議/ 網(wǎng)絡協(xié)議(T ransfer Con tro l Pro tocol/In ternet Protocol，TCP/IP)直接用于衛(wèi)星網(wǎng)絡會導致較低的性能。20世紀90年代，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)借鑒TCP/IP的分層設計思想，提出了一套空間通信協(xié)議(Space Comm un ication Protocol Specification，SCPS)。目前SCPS已經(jīng)被國際標準化組織ISO采納為國際標準，并且被多個國家采用或部分采用，是所有CCSDS SCPS中最為成熟并得到實際應用的協(xié)議。

1 SCPS協(xié)議用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1.1 SCPS-TP協(xié)議簡介

空間通信協(xié)議規(guī)范SCPS主要用于空間多顆衛(wèi)星、空間實驗室及地面射頻終端等組成的空間互聯(lián)網(wǎng)的星與星或星與地之間的通信。SCPS協(xié)議以TCP／IP協(xié)議為模型，包含網(wǎng)絡協(xié)議(SCPS Netw ork Protocol，SCPSNP)、安全協(xié)議(SCPS Security Protocol，SCPS-SP)、傳輸協(xié)議(SCPS T ranspor t Protocol，SCPS-TP)及文件協(xié)議(SCPS File Pro toco l, SCPS-FP)，尤其是傳輸協(xié)議SCPS-TP最為重要[1],在使用SCPS協(xié)議時是必須使用的，而其他三個協(xié)議可以用TCP／IP協(xié)議簇中的協(xié)議代替。SCPS-TP在TCP協(xié)議基礎上,針對衛(wèi)星鏈路的高誤碼率、長傳輸時延、非對稱帶寬和間歇性連接等特點，分別作相應修改和擴展，主要是：采用SNACK與報頭壓縮技術來減小誤碼率；增大TCP擁塞窗口，以適應衛(wèi)星通信中時延大的要求；數(shù)據(jù)速率控制功能，防止出現(xiàn)擁塞；可選擇的多種擁塞控制機制；往返時延測量等功能。通過這些修改和擴充，最大限度地提高鏈路的傳輸效率，很好地解決了衛(wèi)星通信中誤碼率高、延時大、前向和反向鏈路差異大等問題，從而為空間通信網(wǎng)絡提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸，以適應當前和未來的空間任務需求。

1.2 SNACK機制

SCPS-TP的SNACK(Selective Negative Acknow ledgm en t)機制是從SACK(Selective A ck now led gm en t)和NAK(N ega tiv e A cknow ledgm en t)機制的思想發(fā)展而來的，既可提高帶寬利用率又可提高丟包恢復能力。SNACK允許接收端通知發(fā)送端有關接收端亂序隊列中多個缺失數(shù)據(jù)段的信息，可以對接收端緩存中的多個缺失數(shù)據(jù)段進行標志。通過快速地提供更多的有關丟失數(shù)據(jù)段的信息，SNACK能夠加快數(shù)據(jù)恢復的速度、避免發(fā)端窗口受限，允許在等待獲知丟失數(shù)據(jù)段信息時耗盡管道容量。出現(xiàn)丟包時持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的能力是極其重要的，尤其當丟包是由誤碼而非擁塞引起時。當確知使用擁塞控制處理丟包時，SNACK可保持通信管道容量工作在飽和狀態(tài)下，并允許在丟包恢復過程中數(shù)據(jù)傳輸能夠持續(xù)工作在滿負荷的瓶頸狀態(tài)下。

SNACK是一個否定性確認機制，能夠在高比特率的情況下確認較大數(shù)量的數(shù)據(jù)包。SNACK選項長度可變，包括5個數(shù)據(jù)域：標準TCP協(xié)議定義的類型域、長度域（不采用位向量的時候為6 bit），強制定義的錯誤偏移量域、長度域（域長度均為16b it），可選的可變長位向量。偏移量指示了接收端數(shù)據(jù)隊列中的第一處錯誤與已確認接收到的信息間的偏移量，單位為M SS（M ax im um Segm en t Size，最大分段大?。婚L度域描述了該缺失數(shù)據(jù)包（并不一定是收端緩沖區(qū)存儲的第一個數(shù)據(jù)包）的大小，單位是MSS；位向量包含了其余已檢測出的存在于接收隊列中的錯誤，位向量由0和1組成，0表示對應位置上一個M SS長度的數(shù)據(jù)塊丟失，1表示成功接收，如果不足整字節(jié)，在最后一個1之后補0補足八位。

圖1左是接收端的數(shù)據(jù)隊列，共存在三處錯誤。第一處錯誤在成功接收到第一個數(shù)據(jù)段后馬上就發(fā)生了，因此偏移量為0，并占用2個MSS。依據(jù)SNACK選項數(shù)據(jù)段要求，此處采用位向量，則由數(shù)據(jù)接收端產(chǎn)生的SNACK數(shù)據(jù)段將如圖1右所示。

圖1 TCP接收端數(shù)據(jù)隊列及其生成的SNACK數(shù)據(jù)段

當存在亂序隊列時，數(shù)據(jù)接收端掃描接收緩沖區(qū)，建立SNACK選項并通過ACK數(shù)據(jù)段發(fā)送出去?；诮邮盏腟NACK選項，數(shù)據(jù)發(fā)送端會立即重傳所必需的數(shù)據(jù)段來填充被標記的缺失數(shù)據(jù)包。由于SNACK選項可觸發(fā)重傳機制，因此就可以不依賴于快速重傳算法來探測丟包現(xiàn)象。

2 NS2仿真及結果分析

2.1 仿真參數(shù)設置

NS2是目前較為廣泛使用的一種網(wǎng)絡仿真軟件，支持多種版本的TCP協(xié)議，而且方便擴展。本文使用NS2軟件建立了SCPSTP協(xié)議仿真模型，選擇了時延比較長，距地大約35800km的GEO衛(wèi)星進行鏈路利用率仿真，比較SNACK與SACK在不同誤碼環(huán)境下的吞吐量和鏈路利用率。仿真參數(shù)如表1所示。

2.2 結果和分析

SNACK與SACK在不同誤碼率下的吞吐量和鏈路利用率的對比結果分別如圖2和圖3所示，仿真時間為550s。

表1

圖2 不同誤碼率下的平均吞吐量比較

圖3 不同誤碼率下的鏈路利用率比較

長時延和高誤碼率，是低吞吐量的主要原因。衛(wèi)星信道隨著誤碼率的增加，吞吐量隨之減弱，當BER達到10-5時，表現(xiàn)得更為突出。由圖2和圖3可以看出，高誤碼率情況下，SNACK機制相比SACK機制能取得更好的吞吐量性能和鏈路利用率。理論分析和仿真實驗表明，在不同誤碼率情況下，SNACK在寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡中的性能表現(xiàn)要優(yōu)于SACK，可避免短時間內由誤碼造成的TCP性能下降。

[1] 陳明玉，程子敬. SCPS-TP協(xié)議在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應用研究.電子設計工程.Vo1.18,No.8：1-3

[2] 張潤彤，樊寧，張偉軍. LEO衛(wèi)星環(huán)境下的SNACKTCP性能分析.計算機學報.Vo1.30,No.2：297-304

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.064