SCPS-TP協(xié)議研究和性能分析

陳 宇，孟 新，卞春江，張 磊，周 海

（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京100190）

1 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，研究并建設(shè)天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)勢在必行[1]。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于載人航天工程，能為長期留軌的航天員與地面工作人員、朋友、家人進(jìn)行交流溝通提供更便捷的服務(wù)，也為科學(xué)家在地面實(shí)驗(yàn)室直接操作空間站上的儀器進(jìn)行交互式的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)操作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。目前地面互聯(lián)網(wǎng)上98%的數(shù)據(jù)傳輸使用TCP/IP協(xié)議棧，但由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一些特性，如傳播延時(shí)長、誤碼率高的和帶寬不對稱性等造成了基于地面網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的TCP協(xié)議在空間鏈路中的性能嚴(yán)重下降[2]。為了解決該問題，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)專為空間通信“量身定制”了空間通信協(xié)議傳輸協(xié)議SCPS-TP（Space Communications Protocol Specification-Transport Protocol，SCPS-TP）[3]。SCPS-TP 通過對 TCP 的擴(kuò)展，提高了航天通信網(wǎng)空間鏈路中TCP協(xié)議的傳輸性能。

本文研究SCPS-TP對TCP的改進(jìn)方法，搭建空間通信仿真環(huán)境，并對SCPS-TP和TCP在高誤碼高延時(shí)的仿真環(huán)境中的傳輸性能進(jìn)行仿真和對比分析。

2 SCPS-TP對TCP的改進(jìn)方法分析

為了克服空間鏈路對TCP性能的影響，SCPSTP協(xié)議針對空間通信中誤碼率高、傳輸時(shí)延長、鏈路帶寬不對稱、間斷性連接等問題，改進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議中的部分機(jī)制。下面詳細(xì)介紹SCPS-TP改進(jìn)方法。

2.1 SCPS-TP針對數(shù)據(jù)丟失的改進(jìn)

在空間通信中，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的三個(gè)原因是網(wǎng)絡(luò)擁塞、誤碼、鏈路中斷。SCPS-TP提高TCP性能的關(guān)鍵在于識別數(shù)據(jù)丟失原因并進(jìn)行相應(yīng)的處理操作。SCPS-TP對數(shù)據(jù)丟失原因的識別方法和相應(yīng)處理操作如下。

2.1.1 SCPS-TP對網(wǎng)絡(luò)擁塞的識別和處理

SCPS-TP利用RFC3168[4]定義的主動(dòng)隊(duì)列管理（Active Queue Management，AQM）和顯式擁塞通知機(jī)制（explicit congestion notification，ECN）來識別網(wǎng)絡(luò)是否處于擁塞狀態(tài)。AQM檢查隊(duì)列是否將要溢出，以此判斷網(wǎng)絡(luò)是否即將發(fā)生擁塞。在擁塞即將出現(xiàn)時(shí)，ECN在尚未丟失數(shù)據(jù)報(bào)文的情況下通知SCPS-TP發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)擁塞。ECN路由器在數(shù)據(jù)報(bào)文的IP首部中設(shè)置特殊標(biāo)志并把該數(shù)據(jù)報(bào)文向前發(fā)送，在收到有特殊標(biāo)志的數(shù)據(jù)報(bào)文后，接收端SCPS-TP利用ACK把擁塞信號回送到發(fā)送端SCPS-TP。收到該擁塞信號的SCPS-TP使用Vegas擁塞控制算法來降低丟包率并設(shè)置較大的通信窗口，快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。

2.1.2 SCPS-TP對誤碼的識別和處理

空間通信中導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的主要原因是誤碼。SCPS-TP將數(shù)據(jù)丟失的默認(rèn)處理方式設(shè)置為針對誤碼的處理方式。

SCPS-TP針對誤碼的識別和處理過程分為四個(gè)階段：識別、通知、響應(yīng)、終止識別?？臻g鏈路的接收終點(diǎn)即地面接收器執(zhí)行下行鏈路的識別操作。地面接收器從鏈路層獲取接收到的受損幀的個(gè)數(shù)（如通過CRC校驗(yàn)）。地面接收器維護(hù)一個(gè)最近接收分組目的地址的緩存器，并根據(jù)受損幀總數(shù)計(jì)算受損幀加權(quán)流動(dòng)平均值。當(dāng)該平均值超過門限值時(shí)，地面接收器進(jìn)入鏈路出錯(cuò)狀態(tài)，接收器的網(wǎng)絡(luò)層調(diào)用空間網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議SCMP（類似于TCP/IP中的ICMP協(xié)議）向使用該空間鏈路的終端主機(jī)發(fā)送標(biāo)示為“鏈路已出錯(cuò)”的SCMP報(bào)文。終端主機(jī)接收到該SCMP報(bào)文后，立即通過ACK報(bào)文（報(bào)文首部包含鏈路出錯(cuò)選項(xiàng)）向其對應(yīng)的SCPS-TP數(shù)據(jù)源發(fā)送數(shù)據(jù)損壞消息。當(dāng)SCPS-TP數(shù)據(jù)源接收到該ACK后，不啟動(dòng)擁塞控制，也不減小擁塞窗口，發(fā)送速率和重傳間隔時(shí)間保持不變，直到發(fā)送端接收到未帶有鏈路出錯(cuò)信息的ACK時(shí)，進(jìn)入終止識別階段。

2.1.3 SCPS-TP對鏈路中斷的識別和處理

在處理鏈路中斷過程中，有類似處理誤碼的四個(gè)階段：識別、通知、響應(yīng)、終止識別。識別鏈路中斷的方法，是和具體鏈路有關(guān)的。通常，地面站檢測到載波同步信號丟失或者檢測到接收信號強(qiáng)度低于某一門限值時(shí)，認(rèn)為鏈路中斷。一旦地面站（或航天器）檢測到鏈路中斷，它會(huì)向鏈路同一側(cè)的所有主機(jī)發(fā)送“鏈路中斷”SCMP報(bào)文，它包括丟失包的SCPS-TP首部。發(fā)送端SCPS-TP對鏈路中斷信號的響應(yīng)是：進(jìn)入持續(xù)模式，停止發(fā)送新數(shù)據(jù)，停止重傳定時(shí)器，周期發(fā)送嗅探報(bào)文檢查鏈路是否恢復(fù)。SCPS-TP在收到鏈路恢復(fù)SCMP報(bào)文或者嗅探報(bào)文順利到達(dá)接收端并被確認(rèn)時(shí)，回到正常工作模式。發(fā)送端SCPSTP會(huì)根據(jù)先前收到的鏈路中斷SCMP報(bào)文中的SCPS-TP首部中的序號，來決定數(shù)據(jù)流從何處恢復(fù)傳輸。

2.2 SCPS-TP針對帶寬容量有限的改進(jìn)

針對空間鏈路帶寬容量有限而使網(wǎng)絡(luò)性能受限的情況，SCPS-TP提供兩種改善機(jī)制：頭部壓縮技術(shù)和選擇性否定確認(rèn)（SNACK）選項(xiàng)。

2.2.1 SCPS-TP頭部壓縮技術(shù)

SCPS-TP的頭部壓縮技術(shù)[6]在傳輸層實(shí)現(xiàn)端到端操作。SCPS-TP頭部壓縮將頭部減少了大約50%，極大節(jié)約了確認(rèn)報(bào)文的開銷。SCPS-TP頭部壓縮技術(shù)將連接期間不變化的信息進(jìn)行摘要處理。經(jīng)過壓縮的SCPS-TP頭部是可變長的，但必須包含連接標(biāo)識符、用以指明哪些可選字段被使用和哪些標(biāo)志位被置位的比特域，還要包含校驗(yàn)和。SCPS-TP僅壓縮SCPS-TP頭部而不壓縮IP頭部。

2.2.2 SCPS-TP的SNACK選項(xiàng)

傳統(tǒng)的TCP使用ACK報(bào)文進(jìn)行確認(rèn)，一個(gè)ACK報(bào)文最多能夠識別接收緩沖區(qū)中的一個(gè)缺失數(shù)據(jù)塊。SNACK允許SCPS-TP接收方通知發(fā)送方在接收方隊(duì)列有一個(gè)或一個(gè)以上的缺失數(shù)據(jù)塊。這樣，SNACK選項(xiàng)可以加速丟失數(shù)據(jù)的重傳并避免了發(fā)送方達(dá)到窗口極限。

2.3 針對長往返延遲的改進(jìn)

SCPS-TP中，通過兩個(gè)技術(shù)措施解決長往返延遲（RTT）對數(shù)據(jù)傳輸所帶來的影響：窗口縮放和定時(shí)器修改。

2.3.1 SCPS-TP的窗口縮放

窗口縮放功能[7]允許SCPS-TP處理多于64K字節(jié)的未收到應(yīng)答的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)丟失主要是由誤碼造成的情況下，采用更大的窗口尺寸有助于提高網(wǎng)絡(luò)性能，這樣就可以在恢復(fù)丟失期間不斷地傳送新的數(shù)據(jù)。

2.3.2 SCPS-TP的定時(shí)器修改

SCPS-TP修改了TCP定時(shí)器的超時(shí)時(shí)間，允許往返延遲從秒級增加到小時(shí)級，符合深層空間傳輸往返延時(shí)實(shí)際情況。在建立連接時(shí)，SCPS-TP將重傳定時(shí)器設(shè)置成一個(gè)合適的往返延時(shí)估計(jì)值，從而避免在連接的開始階段就出現(xiàn)多次重傳超時(shí)。另外，SCPS-TP協(xié)議利用TCP時(shí)間戳選項(xiàng)，有助于比較精確地估計(jì)在有分組丟失情況下的RTT值。

2.4 針對鏈路帶寬不對稱的改進(jìn)

信道的寬度不對稱性導(dǎo)致反向鏈路上TCP的ACK報(bào)文擁塞，進(jìn)而使TCP通信的鏈路利用率降低。SCPS-TP采用兩種改善方法：降低確認(rèn)應(yīng)答頻率、速率控制。

2.4.1 降低確認(rèn)應(yīng)答頻率

TCP協(xié)議規(guī)定每接收一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)向發(fā)送端至少回應(yīng)一個(gè)確認(rèn)報(bào)文，并且規(guī)定當(dāng)出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)報(bào)文亂序時(shí)對每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文立即給予確認(rèn)，SCPS-TP取消了以上兩項(xiàng)規(guī)定，而是改成了SCPS-TP接收方以固定速率給予確認(rèn)，減輕了對確認(rèn)信道的帶寬壓力。

2.4.2 SCPS-TP的速率控制

SCPS-TP采用開環(huán)速率控制機(jī)制以避免過度占用鏈路帶寬。開環(huán)速率控制機(jī)制允許在每個(gè)端點(diǎn)上基于每個(gè)SCPS-TP連接，配置傳輸速率參數(shù)。該機(jī)制在整個(gè)傳輸過程中把分組的發(fā)送速率控制在用戶指定值并限制突發(fā)傳輸數(shù)據(jù)的尺寸。

3 性能分析

3.1 仿真環(huán)境配置

為了進(jìn)行協(xié)議性能驗(yàn)證和比較，本文利用信道仿真器，對空間環(huán)境中的TCP和SCPS-TP通信進(jìn)行仿真。如圖1所示，使用2臺(tái)主機(jī)和1臺(tái)信道仿真器搭建仿真環(huán)境，在不同誤碼和延時(shí)條件下對TCP協(xié)議和SCPS-TP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量進(jìn)行測試，并進(jìn)行比較分析。其中，兩臺(tái)主機(jī)安裝兩個(gè)應(yīng)用測試程序：用于測試TCP性能的測試工具Linux TTCP、用于測試SCPS-TP性能的測試工具SCPS TTCP。主機(jī)和信道仿真器配置百兆網(wǎng)卡。信道仿真器設(shè)置下行鏈路帶寬為100Mbps，上行鏈路帶寬為10Mbps。

圖1 SCPS-TP、TCP性能測試仿真環(huán)境

在測試中，使用測試工具利用SCPS-TP和TCP傳輸文件，文件大小為100M。兩臺(tái)主機(jī)上SCPS-TP參數(shù)配置見表1。

3.2 仿真結(jié)果

使用信道仿真器，測試SCPS-TP和TCP在不同延時(shí)和誤碼條件下的吞吐量，仿真結(jié)果列于表2。

3.3 仿真結(jié)果分析

通過表2中仿真結(jié)果可以看出：

（1）當(dāng)誤碼率小于10-8并且單向延時(shí)小于5ms時(shí)，SCPS-TP和TCP的性能差別很小。

（2）當(dāng)誤碼率大于10-7或單向延時(shí)大于5ms時(shí)，SCPS-TP的傳輸性能明顯優(yōu)于TCP。隨著誤碼率和傳輸時(shí)延的增大，SCPS-TP和TCP的傳輸性能差距加大，SCPS-TP的優(yōu)勢越來越明顯。

表1 SCPS-TP參數(shù)配置

表2 不同時(shí)延和誤碼率條件下的SCPS-TP和TCP吞吐量（單位：Mbps）

3.4 載人空間站和地面互聯(lián)網(wǎng)之間SCPS-TP通信的仿真結(jié)果分析

載人空間站和地面互聯(lián)網(wǎng)的連接方式分兩種情況：

（1）載人空間站和地面互聯(lián)網(wǎng)之間直接通信。載人空間站和地球之間距離為400km左右，傳輸單向延時(shí)為1.5ms。

（2）載人空間站和地面互聯(lián)網(wǎng)通過中繼星通信。中繼星和地球之間距離為36000km，載人空間站通過中繼星和地面互聯(lián)網(wǎng)通信的傳輸單向延時(shí)約為250ms。

從表2中單向時(shí)延1.5ms和單向時(shí)延250ms對應(yīng)數(shù)據(jù)可以看出，載人空間站接入地面互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，SCPS-TP的傳輸性能明顯優(yōu)于TCP。

4 結(jié)論

空間鏈路的高誤碼、高延時(shí)、不對稱等特性，導(dǎo)致TCP傳輸性能下降。SCPS-TP針對空間鏈路特性對TCP進(jìn)行了改進(jìn)，有效提高了TCP傳輸性能。本文利用信道仿真器搭建空間通信的仿真環(huán)境，測試SCPS-TP和TCP在高誤碼高延時(shí)的空間鏈路中的吞吐量性能。仿真結(jié)果表明在空間鏈路中SCPS-TP比TCP具有明顯優(yōu)勢。在空間站和地面互聯(lián)網(wǎng)之間通信環(huán)境中，在空間鏈路上使用SCPS-TP能夠很大程度增強(qiáng)傳輸性能，具體有兩種應(yīng)用方式：①地面終端和空間站終端安裝SCPS協(xié)議棧；②地面終端和空間站終端安裝TCP/IP協(xié)議棧，空間站和地面分別安裝TP-TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，在兩個(gè)網(wǎng)關(guān)之間的空間鏈路傳輸層使用SCPS-TP。

綜上所述，SCPS-TP協(xié)議適用于空間鏈路傳輸。特別是在載人空間站與地面互聯(lián)網(wǎng)之間的空間通信中，在SCPS-TP協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳輸協(xié)議研究具有十分重要的意義。 ◇

［1］沈榮駿.我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想.中國工程科學(xué)，2006年10月第8卷第10期.

［2］吳詩其，李興.衛(wèi)星通信導(dǎo)論.電子工業(yè)出版社，2002.

［3］CCSDS 714.0-B-2 Space Communications Protocol Specification（SCPS）—Transport Protocol（SCPS-TP）.Recommendation for Space Data System Standards ［S］.Blue Book，Issue 2，Washington，DC：CCSDS，October 2006.

［4］K.Ramakrishnan.The Addition of Explicit Congestion Notification（ECN）to IP.IETF RFC3168，September 2001.

［5］Jacobson V.Congestion Avoidance and Control［C］.Proceedings of ACM SIGCOMM’88，Stanford，CA，August 1988：314—329.

［6］Jacobson V.compressing TCP／IP Headers for Low-Speed Serial Links.RFC 1144 Berkeley：LBL，F(xiàn)ebruary 1990：4—12.

［7］ Borman D.，Braden R.，Jacobson V..TCP extensions for high performance.IETF RFC l323，l992.