民航移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)TCP擁塞控制策略研究

段竣晨

（民航云南空管分局，云南昆明 650200）

民航移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)TCP擁塞控制策略研究

段竣晨

（民航云南空管分局，云南昆明 650200）

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于民用航空移動(dòng)通信的技術(shù)也逐漸發(fā)展。通常情況下，互聯(lián)網(wǎng)的接入可以分為地空網(wǎng)絡(luò)接入和衛(wèi)星中繼網(wǎng)絡(luò)接入兩種，本文就針對(duì)于民航移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)TCP擁塞控制策略進(jìn)行了探討，將公平性和適應(yīng)性較好的TCP Hybird-Hybla解決方案引入其中，有效提升了TCP的傳輸效率。

民航移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) TCP Hybird-Hybla OPNET

現(xiàn)階段，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)發(fā)展水平逐漸成為了國(guó)家綜合國(guó)力的象征。實(shí)際上，航空移動(dòng)通信逐漸顯現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)應(yīng)用需求，我國(guó)即將迎來(lái)“空中互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代”。但是，在實(shí)際中，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；蜕唐坊€存在一定的技術(shù)難題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其魯棒性對(duì)于TCP/IP的擁塞控制更加依賴，TCP/IP承載了十分之九以上的網(wǎng)絡(luò)流量，但是，TCP在衛(wèi)星信道上的擁塞控制問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，目前就如何提升其控制有效性仍然沒(méi)有答案，從而導(dǎo)致了衛(wèi)星子網(wǎng)絡(luò)的TCP傳輸性能降低、航空網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)以及飛機(jī)移動(dòng)過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)切換問(wèn)題等，迫切需要解決措施。

1 航空移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)分析

衛(wèi)星通信是指把人造地球衛(wèi)星當(dāng)作通信中繼站，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線電波的轉(zhuǎn)發(fā)或反射，從而實(shí)現(xiàn)不同站點(diǎn)之間的通信。在民航移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，以Inmarsat通信作為中繼站，并選擇地面站作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站，并在每個(gè)洋區(qū)選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)寫挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)覆蓋和通信情況的監(jiān)控［1］。按照現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系來(lái)看，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與Internet的結(jié)合，增加了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，而民航移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將Inmarsat通信衛(wèi)星系統(tǒng)作為其補(bǔ)充，從而促進(jìn)了天地網(wǎng)絡(luò)的一體化，同時(shí)，傳統(tǒng)的通信技術(shù)也面臨諸多挑戰(zhàn)。在民航移動(dòng)通信中，對(duì)于TCP的傳輸性能會(huì)產(chǎn)生不利的因素主要包括空間跨度大、鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定、終端移動(dòng)性、擴(kuò)容難等因素。

隨著航空網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)TCP面臨以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：第一，慢啟動(dòng)需要消耗大量的時(shí)間，帶寬得不到充分利用。第二，延時(shí)差異大，公平性能差。第三，鏈路誤碼率和切換引起的丟包問(wèn)題十分頻繁。第四，呈現(xiàn)出明顯的假超時(shí)特點(diǎn)。而現(xiàn)階段常用控制措施主要包括PEP技術(shù)、支持長(zhǎng)肥管道的增強(qiáng)TCP技術(shù)以及TCP Hybla、SwiftStart TCP、TCP Westwood、Scalable TCP等增強(qiáng)TCP性能協(xié)議等［2］。

2 TCP擁塞控制

現(xiàn)階段，TCP協(xié)議下?lián)砣刂七^(guò)程主要可以分為慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重傳和恢復(fù)四個(gè)階段。

在慢啟動(dòng)階段，TCP在啟動(dòng)過(guò)程中，會(huì)發(fā)送出多個(gè)數(shù)據(jù)包給網(wǎng)絡(luò)，但是由于路由器的作用，使得數(shù)據(jù)包不得不排隊(duì)，消耗存儲(chǔ)空間的同時(shí)，使得TCP連接的吞吐量下降，為了有效控制這一問(wèn)題，所以引入慢啟動(dòng)。在擁塞避免階段，如果發(fā)現(xiàn)超時(shí)或存在2個(gè)以上的相同ACK確認(rèn)幀，則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，需要進(jìn)入避免擁塞階段。當(dāng)數(shù)據(jù)包超時(shí)后，cwnd為初始值，如果重新開(kāi)展慢啟動(dòng)，必然導(dǎo)致發(fā)送窗口尺寸減小量的大幅度變化，降低TCP的吞吐量。而在快速重傳和恢復(fù)階段，源端受到重復(fù)ACK2個(gè)以上，數(shù)據(jù)包丟失并重傳，同時(shí)，ssthresh為cwnd的一半，避免遭遇RTO超時(shí)。

3 民航移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)TCP解決方案——TCP Hybla

在TCP Hybla下，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)延的連接以一個(gè)相對(duì)快速的TCP連接為參考獲得傳輸速率B（t），根據(jù)如下公式，需要兩個(gè)步驟，首先是將時(shí)間尺度進(jìn)行修改，將W（t）獨(dú)立，其實(shí)，需要乘以RTT補(bǔ)償除法的效果。

B（t）=W（t）/RTT

丟包恢復(fù)機(jī)制方面，無(wú)論是與TCP Reno相比還是與Tahoe相比，TCP Hybla能夠擁有更大的擁塞窗口，從而導(dǎo)致一個(gè)窗口多個(gè)丟包的情況十分常見(jiàn)，特別是在RTT值區(qū)域最大的時(shí)候。為了有效控制這一問(wèn)題，針對(duì)TCP NewReno不能一次性恢復(fù)一個(gè)窗口里面多個(gè)丟包的問(wèn)題，遂引入SACK選項(xiàng)，針對(duì)接收端沒(méi)有ACK返回的情況，采用重傳超時(shí)和時(shí)間戳［3］。同時(shí)，通過(guò)慢啟動(dòng)閾值估計(jì)和突發(fā)和包間隔，能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)的效率。

在TCP Hybla下，其性能集中表現(xiàn)在公平性和友好型方面，在TCP擁塞控制算法下，TPC Hybla面對(duì)BDP較小或RTT較小的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，性能優(yōu)秀，能夠有效解決TCP連接傳輸效率低下的問(wèn)題。公平性體現(xiàn)在民航異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，標(biāo)準(zhǔn)TCP對(duì)長(zhǎng)時(shí)延連接十分不利，通過(guò)TCP Hybla的使用，參考時(shí)延為25ms，從而實(shí)現(xiàn)窗口增長(zhǎng)。同時(shí)，這也增加了慢啟動(dòng)擁塞窗口的增長(zhǎng)侵略性，容易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)利用效率低下的問(wèn)題，這主要是因?yàn)檫\(yùn)行過(guò)程中存在重傳包和無(wú)用包，通過(guò)包間隔可以有效控制這一現(xiàn)象的發(fā)生。友好性主要表現(xiàn)在：恢復(fù)論建模，將丟包率和往返時(shí)延作為主要參數(shù)，并且以TCP流數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)吞吐量作為函數(shù)，進(jìn)行分析，對(duì)TCP擁塞避免行為進(jìn)行建模，讓不同的round TCP擁有一定的擁塞窗口值，以一個(gè)往返時(shí)延為周期，并且獨(dú)立于擁塞窗口［4］。經(jīng)過(guò)對(duì)比，在TCP Hybla下，友好型特點(diǎn)十分突出，將其用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，由于不同的RTT，占用網(wǎng)絡(luò)容量的能力要強(qiáng)。

此外，在鏈路利用率方面，TCP Hybla能夠適應(yīng)現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要，但是卻在實(shí)踐中面臨實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)利用率低的問(wèn)題。這要?dú)w因于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)特性。由于其本身就是公平的，但是由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所導(dǎo)致的性能下降，衛(wèi)星鏈路、無(wú)線鏈路以及有線鏈路公平性難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的利用率不高，尚待改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

由于民航移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)大、丟包率高以及衛(wèi)星中繼的大時(shí)延特點(diǎn)，使得其通信網(wǎng)絡(luò)中的TCP性能難以提升，對(duì)于用戶體驗(yàn)和機(jī)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)接入的發(fā)展造成了阻礙。本文著重探討了其控制策略，構(gòu)建民航移動(dòng)通信TCP高效運(yùn)行體系，促進(jìn)民航通信工程的發(fā)展。

［1］徐偉強(qiáng)，汪亞明，俞成海，等.移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的跨層優(yōu)化擁塞控制［J］.軟件學(xué)報(bào)，2010，07∶1667-1678.

［2］曾孝平，王興隆，王志明，等.民航移動(dòng)通信中TCP協(xié)議的改進(jìn)［J］.信息與電子工程，2012，01∶13-17.

［3］李渝.民航移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)TCP擁塞控制策略研究［D］.重慶大學(xué)，2013.

［4］楊澍.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制策略研究［D］.北京郵電大學(xué)，2015.