基于SCPS_TP的TCP性能增强代理

表 1 模块名称和功能
模块名称
功能
报文过滤 利用 Linux netfilter 截获 TCP 报文，并区分出 SYN 报文、FIN 报
模块
文、数据报文，分别进行处理
多连接管理：采用多线程机制和预创建技术。主线程预先创建多
个子线程。当接收到连接请求，直接为连接提供一个子线程，减
少等待时间
SCPS-TP/TCP IP 地址转换：从 H1 到 H2 方向的报文，PEP 以 H1 为源 IP 发送 协议转换模块 报文；从 H2 到 H1 方向的报文，PEP 以 H2 为源 IP 发送报文
TCP 基本改进方案主要包括：(1)扩大初始发送窗口； (2)扩大最大 TCP 发送窗口；(3)选择应答(SACK)；(4)T/TCP； (5)多 TCP 连接；(6)明确拥塞指示。这些基本改进方案具有 协议改动小、实施方便的优点。但每个改进方案都只是针对 一个问题进行的修改，对 TCP 协议性能的改进非常有限。
FEC 采用复杂的纠错编码技术，在每一个发送的数据块 中附加足够的冗余纠错信息，接收方可以纠正网络传输中产 生的错误，从而消除卫星链路中误码带来的影响。
ARQ 在检测出误码丢包以后自动对丢失的数据包进行 重传，从而抢在传输层之前完成数据包的恢复工作，对 TCP 的性能有较大的提高。缺点是 ARQ 会增加传输时延，造成 TCP 超时而进入慢启动。只有当数据包的错误率超过了一定 的阈值后，采用 ARQ 才会提高应用层的吞吐量。 2.2 地面商用通信协议
第 37 卷
增刊
Vol.37 Supplementary Issue
计算机工程 Computer Engineering
2011 年 12 月 December 2011
·网络与通信·
文章编号：1000—3428(2011)增刊—0089—03
文献标识码：A
中图分类号：TP393
基于 SCPS-TP 的 TCP 性能增强代理
TCP Performance Enhancing Proxy Based on SCPS-TP
CHEN Yu, MENG Xin, BIAN Chun-jiang, ZHANG Lei, ZHOU Hai
(Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
(2)无缝集成到现有网络中，透明连接，终端不需要任何 改动。
(3)直接转发 UDP 报文。 (4)卫星链路上采用 SCPS-TP。空间通信传输协议 SCPSTP 是基于 TCP 的扩展协议，是针对空间链路特点量身定制 的传输层协议。 3.2 设计和实现 本文设计的性能增强代理是基于 Linux 操作系统的程 序，模块划分及功能如表 1 所示。
TCP/SCPS-TP 转换：PEP 和主机之S-TP
数据缓冲管理:缓存没有被确认的报文
SCPS-TP 实现 SCPS-TP 协议，实现 TCP Vegas 拥塞控制算法和标准拥塞控
协议模块 制算法，实现窗口缩放、时间戳、SNACK、头压缩、速率控制
具体的，对于 H1 和 H2 之间的每个 TCP 连接，性能增 强代理的处理流程分为建立连接、数据传输、终止连接 3 个 阶段，每个阶段的流程分别如图 2~图 4 所示。其中，SIP 表 示报文的源 IP 地址；DIP 表示报文的目的 IP 地址；WIN 表 示 TCP 接收窗口。
陈 宇，孟 新，卞春江，张 磊，周 海
(中国科学院空间科学与应用研究中心，北京 100190)
摘 要：针对卫星链路长延时、高误码、信道不对称等特性导致 TCP 传输性能下降的问题，介绍并分析现有卫星链路 TCP 性能增强方案， 提出一种性能增强代理的设计和实现方法，运用 TCP 分段的方法，在卫星链路上采用空间通信传输协议(SCPS-TP)。测试结果表明，基于 TCP 分段和 SCPS-TP 的性能增强代理，可提高卫星链路上 TCP 的传输性能。 关键词：卫星链路；TCP 分段；性能增强代理；SCPS-TP 协议
3 基于 TCP 分段的性能增强代理设计和实现
3.1 实现的功能 实现的功能有如下 4 条： (1)如图 1 所示，性能增强代理 1(以下简称 PEP1)和性能
增强代理 2(以下简称 PEP2)将主机 1(以下简称 H1)和主 机 2(以下简称 H2)之间的 TCP 连接分割为 3 个连接：H1 和 PEP1 之间的 TCP 连接，PEP1 和 PEP2 的 SCPS-TP 连接， PEP2 和 H2 之间的 TCP 连接。H1 和 H2 之间端到端通信网 络协议栈如图 1 所示。
1 概述
卫星通信具有覆盖范围大、传输速率高、组网灵活、建 设费用低廉、建设周期短等优点，是地面光纤难以覆盖或偏 远地区进行长距离宽带网络接入的重要补充手段。TCP 协议 是目前 Internet 中应用最为广泛的传输层协议，已经成为端 到端可靠数据传输的事实标准。但是由于卫星链路的长传输 时延、高误码率、链路带宽不对称等特性，使得卫星链路上 TCP 传输性能极大下降[1]。
但是，OMNI 将 TCP 直接用于卫星链路，卫星链路的高 延时导致 TCP 性能下降，特别是航天器高度到达月球高度 (往返传输时延达 1 666 ms)时，TCP 性能急剧下降。 2.3 TCP 协议的修改
TCP 协议修改方案的种类很多，主要从基本改进方案、 数据包优先级、可用带宽估计、拥塞窗口指示 4 个方面进行 修改。
拥塞窗口指示方案以 XCP 为代表。XCP 协议中在数据
作者简介：陈 宇(1975－)，女，工程师、硕士，主研方向：卫星通 信，空间网络；孟 新，研究员；卞春江、张 磊、周 海，助理 研究员 收稿日期：2011-11-14 E-mail：chenyu@
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计算机工程
2011 年 12 月
(1)建立连接阶段 PEP1 拦截 H1 的 SYN 报文，以 H2 的身份和 H1 建立 TCP 连接。PEP1 向 H2 发送 SCPS-TP SYN，PEP2 以 H2 的身份 和 PEP1 建立 SCPS-TP 连接。PEP2 再以 H1 的身份向 H2 发 送 TCP SYN，和 H2 建立 TCP 连接。整个过程如图 2 所示。
DTN 还面临一些需要解决的关键技术问题：可靠性问 题，拥塞控制问题，存储转发和保管传递策略问题，路由问 题，安全性问题，时间同步问题。DTN 技术尚不成熟，另外， DTN 还有针对深空通信、研发成本高、兼容性差等缺点。 2.5 性能增强代理
常用的 2 个 TCP 分裂连接方法是 TCP 分段和 TCP 欺骗。 (1)TCP 分段方法[4] TCP 分段的工作原理是将端到端的 TCP 连接分割成为 3 段独立的连接：源主机与网关间的 TCP 连接；2 个网关之 间的卫星协议连接；目的主机一侧的网关与目的主机间的 TCP 连接。 TCP 分段的优点是通过分割端到端的连接，在卫星链路 上采用最适合于卫星链路的协议，而在地面段继续使用传统 TCP。这样既保持了对用户的完全透明又提供了更好的性能， 并且地面的 TCP 协议不作任何修改。因此，TCP 分段得到了 广泛的应用[5]。TCP 分段的不足在于网关处需要配置大容量 的缓存来保存未被接收方确认的数据，网关需要有强大的处 理能力。 (2)TCP 欺骗 TCP 欺骗仍然保持虚拟的端到端 TCP 连接，TCP 欺骗对 于源主机和目的主机都是透明的。在网络中的 TCP 欺骗网关 起到欺骗器的作用，截取、缓存和确认来自源主机的数据， 然后将数据发送到目的主机。
数据包优先级方案，如 Fast Start，解决连接开始阶段数 据传输速率低的问题。利用网络连接历史记录，估计当前网 络的可用带宽，但是如果网络连接状态变化，则估计失效。 另外，网络状态变化属于短时行为，这就要求前一次连接的 结束时刻和此次连接的开始时刻非常接近，协议要求苛刻。
可用带宽估计方案，如 TCP Westwood。TCP Westwood 修改了在数据发生丢失后，发送端的拥塞窗口控制策略。TCP Westwood 虽然在数据丢失后表现出较好的性能，但仍然沿 用了慢启动策略。
卫星系统
主机1 性能增强代理1
Application
协议转换模块
TCP
TCP SCPS-TP
IP Ether Link
IP
IP
Ether Link
CCSDS Space Link
Physical Physical Physical
性能增强代理2 主机2
协议转换模块
本文列举现有卫星链路 TCP 性能增强方案，并逐一分 析。根据基于 TCP 分段机制的性能增强代理模型，设计并实 现 TCP 性能增强代理。
2 现有卫星链路 TCP 性能增强方案分析
目前，针对卫星链路的特点，主要有以下 5 种提高 TCP 性能的方法。 2.1 链路层差错控制方法
2 种 常用 的 链 路层 差错 控 制 方法 是前 向 纠 错(Forward Error Correction, FEC) 和 自 动 重 传 请 求 (Automatic Repeat Request, ARQ)。
包头增加拥塞字段，并要求路由器采用特定算法实现网络最 大链路带宽利用和带宽资源的公平占用。在无差错的网络环 境下，XCP 协议优势明显。但是，当链路存在差错时，性能 优势并不明显。 2.4 容延迟/中断网络
Intel 公 司 伯 克 利 研 究 实 验 室 提 出 容 延 迟 / 中 断 网 络 (Delay/Disruption Tolerant Network, DTN)[3]，解决行星际互联 网问题所需的体系结构。DTN 的基本设计目标是支持具有断 续连接、大时延、高误码率等特征的异构网络的互联和互操 作。DTN 体系结构充分应用现有各网络环境的协议设计方 案，异构网络之间利用 DTN 网关节点相连，实现端到端应用。
NSSA OMNI(Operating Mission as Nodes on the Internet)[2] 项 目 利 用 地 面 商 用 通 信 协 议 和 符 合 地 面 商 用 通 信 协议的商业产品实现空间通信的标准化。OMNI 的一项重要
思路是将“空间专用”的部分严格限定在物理层。OMNI 将 信道纠错编码与数据链路层的组帧格式完全隔离。数据链路 层所面对的是经过纠错后已大大净化的物理信道。OMNI 在 数据链路层选用 HDLC 协议。
【Abstract】The TCP performance is seriously affected by the long delay and high bit error rate and network asymmetry of the satellite link. In order to resolve the problem, this paper analyzes several existing improved methods. This paper introduces the design and implementation of a Performance Enhancing Proxy(PEP) based on split-TCP. SCPS-TP proposed by CCSDS is used to substitute the traditional TCP in the space link. Experimental results show that the proposal based TCP split and SCPS-TP can significantly improve the TCP performance over satellite link. 【Key words】satellite link; TCP split; Performance Enhancing Proxy(PEP); SCPS-TP protocol