基于链路信息估计的低轨卫星网络传输控制协议.pdf
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1、基于链路信息估计的低轨卫星网络传输控制协议王子涵张娇张远潘恬黄韬(北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876)()A Transport Control Protocol for Low Earth Orbit Satellite Networks Based on LinkInformation EstimationWangZihan,ZhangJiao,ZhangYuan,PanTian,andHuangTao(College of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Tel
2、ecommunications,Beijing,100876)AbstractIn recent years,low-orbit satellite constellations have been rapidly developed.They will play anincreasinglyimportantroleinthemilitaryandcivilianfields.Howtoimprovethebandwidthutilizationoflow-orbitsatellitenetworksisofgreatsignificanceforthemtoplayavaluablerol
3、e.ThetraditionalTCP(TransmissionControlProtocol)protocol and its variants are designed for terrestrial networks.They cannot adapt to low-orbit satellitenetworkswithlongdelay,highbiterrorrate,andhighdynamicchanges.Therefore,inordertofullyutilizethebandwidthresourceoflow-orbitsatellitenetworksandthuse
4、nablehigh-speedservicestobecarried,newtransportcontrolprotocolneedstobedesignedaccordingtothecharacteristicsoflow-orbitsatellitenetworks.Inthispaper,wefirstly analyze the characteristics of low-orbit satellite networks and the problems of existing transport controlprotocolsinsatellitenetworks.Then,a
5、novelcongestioncontrolalgorithm,calledDDTCP(delay-differentiatedTCP),based on path information estimation and delay differentiation is proposed.The path delay in low-orbit satellitenetworksmaybecausedbyavarietyoffactors.NextthedelayinformationofthepastperiodoftimeinDDTCPisstoredatthesource.Finally,a
6、pathdelaydifferentiationmechanismisproposedandthecongestionwindowwillbeadjustedaccordingtotheclassificationresults.Inthisway,areasonablecongestionwindowcanbesetquicklytoavoidlinkcacheoverfloworthroughputdegradationafterachangeinnetworkconditions.Theexperimentalresultsshow that the new transport cont
7、rol protocol achieves higher and more stable throughput in low-orbit satellitenetworks,and the throughput improvement in DDTCP is more than 19%compared with that in the traditionalcongestioncontrolalgorithms.Key wordssatellitenetworks;pathinformationestimation;delay-differentiated;transportcontrol;h
8、ighthroughput摘要近年来,低轨卫星星座快速发展,其在军事和民用领域也将发挥越来越重要的作用.如何提高低轨卫星网络的带宽利用率成为保障低轨卫星星座发挥价值的重要研究方向.而传统 TCP(TransmissionControlProtocol)协议及其变种主要针对地面网络设计,难以适应长往返时延、高误码率、高动态变化的低轨卫星网络.因此,为了充分利用低轨卫星网络的带宽资源,承载高速率业务,需要针对卫星网络的特点设计新型传输控制协议.首先,分析了低轨卫星网络的特点以及现有传输控制协议在卫星网络中存在的问题;然后,提出了基于路径信息估计和时延区分的新型拥塞控制 DDTCP(delay-di
9、fferentiatedTCP)算法.低轨卫星网络端到端时延可能由多种因素引起,DDTCP 在源端会保存过去一段时间内的时延信息,进而通过路径时延区分机制对拥塞窗口演化进行分类处理,可以在网络状况发生突变后,快速设置合理收稿日期:2022-04-12;修回日期:2022-09-27通信作者:张娇()计 算 机 研 究 与 发 展DOI:10.7544/issn1000-1239.202220299JournalofComputerResearchandDevelopment60(8):18461857,2023的拥塞窗口,避免链路缓存溢出或吞吐下降.实验结果表明,新的传输控制协议 DDTCP
10、可以在低轨卫星网络中实现更高、更稳定的吞吐量,与传统拥塞控制算法相比,吞吐量提升 19%以上.关键词卫星网络;路径信息估计;时延区分;传输控制;高吞吐中图法分类号TP393随着商业低轨卫星(lowearthorbit,LEO)星座快速发展,在可以预见的将来,低轨卫星星座网络将会给大众提供更加廉价、方便、快捷、稳定的网络接入.而截至 2017 年 6 月,全球互联网普及率为 51.7%,意味着全球仍有一半的人口未实现互联网连接.相对于地面通信系统,低轨卫星通信系统易于快速实现大范围的全球覆盖,适合低人口密度、有限业务流量的国家或地区.相对于高轨以及静止轨道卫星通信系统,低轨卫星通信系统链路具有多
11、方面优势:1)传播损耗小,更有利于系统为手持终端用户提供服务;2)传输时延小,实时性较好;3)采用极地轨道或大倾角轨道时可为高纬度地区提供服务;4)可利用多普勒频移进行定位,实现导航增强功能;5)星座能够对用户提供多重覆盖,可以增强抗毁性.虽然低轨卫星网络有着诸多优势和应用潜能,但目前的应用大都还局限在语音、短消息等低速通信业务.随着互联网的不断发展,卫星网络作为地面网络的重要补充必然会承载更多种类的业务,如视频、直播、远程教育等.而这些业务都需要卫星网络提供可靠的高速率接入.为了与地面网络协同,卫星网络必然会顺应当前的趋势采用 TCP(TransmissionControlProtocol)
12、/IP 协议体系来提供可靠传输.而卫星网络固有的长时延、高突发误码率、上下行信道带宽不对称、拓扑时变等特性,使得卫星网络直接应用针对地面网络设计的 TCP 传输控制协议时性能表现很差.首先,卫星网络较长的端到端往返时延(round-triptime,RTT)会使 TCP 在慢启动阶段的拥塞窗口(congestionwindow,CWND)增长缓慢,并且无法从丢包后带宽减半的状态快速恢复到填满带宽的状态,不能充分利用网络的带宽资源;卫星链路较高的误码率也会让 TCP 频繁降低拥塞窗口,这是因为 TCP认为所有的丢包都是由于链路拥塞造成的,使得卫星链路在传输过程中由误码引起的丢包也被当作网络拥塞的
13、信号,引起源端不必要的降窗操作;文献 1指出,地面网络的误码率小于 109,卫星网络误码率范围为 104108.卫星网络中上行和下行带宽通常有着很大的不对称性,上行链路的有效带宽一般远小于下行链路的带宽,这导致 TCP 确认信号流具有突发特性,进而导致发送端速率增长缓慢、快速恢复机制效率低下.另外,低轨卫星网络中的端到端往返时延变化较大,在地球同步轨道卫星场景下,传输时延取决于用户之间的距离,而在有着星间链路(inter-satellitelink,ISL)的低轨卫星网络中,星座的拓扑关系会随时间快速变化,导致传输时延发生变化,这可能会影响 TCP 对 RTT 的估计2.每当 RTT 发生变化
14、,TCP 都需要一些时间来适应这种变化.在低轨卫星星座网络中,RTT 会不断发生变化,导致 TCP 无法足够快速更新其估算的 RTT.这可能会导致过早的超时重传,降低链路的带宽利用率.在低轨卫星网络中使用面向连接的 TCP 协议时,每次发生卫星切换,都可能引发较大数量的 TCP 数据包丢失,特别是在信令交换没有正确执行的情况下.另外,在切换完成后,TCP会因为发生大量丢包而将其拥塞窗口减到最低3.这些卫星网络的特点导致现有典型网络拥塞控制协议面临严重的性能下降.例如基于丢包的 TCPCubic4、基于时延的 TCPVegas5、基于带宽时延积(bandwidth-delayproduct,BD
15、P)估计的 TCPWestwood6和 BBR7.当前这些针对地面网络和高轨卫星网络设计的拥塞控制协议在低轨卫星星座网络中,都会遇到不同程度的性能降级.本文分析了典型 TCP 拥塞控制协议在卫星网络中性能下降的原因,并提出了基于时延区分的卫星网络传输控制协议(delay-differentiatedTCP,DDTCP).DDTCP 通过新的时延探测机制可以在动态变化的低轨卫星网络中根据时延变化趋势快速、准确探测当前链路状况,然后基于探测结果控制发送端的拥塞窗口变化,能够有效提高网络带宽利用率.针对卫星切换造成的短时间内大量数据包丢失,DDTCP 通过快速丢包重传机制,可以在源端快速将丢失的数据
16、包重传,避免触发超时重传机制,重传结束后拥塞窗口不会减到初始窗口,而是基于最新的探测值重新计算,避免再次从慢启动阶段开始.针对卫星网络长时延、小缓存的链路状况,DDTCP 使用动态拥塞窗口上界调整算法根据丢包率、网络时延变化等信息,王子涵等:基于链路信息估计的低轨卫星网络传输控制协议1847实时调整拥塞窗口上界,避免过大的拥塞窗口导致链路缓存溢出造成 TCP 数据包丢失.我们在 Linux 内核中实现了 DDTCP 协议,并在半实物卫星网络仿真平台上进行了性能验证.实验结果表明,与 TCPVegas,Cubic,BBR 对比,DDTCP 的吞吐量提高了 19%以上,同时可以保证数据传输更加稳定
17、,不会受到低轨卫星网络高动态变化的影响.1背景和相关工作 1.1低轨卫星网络的特点与传统地面网络不同,低轨卫星通信网络具有拓扑时变、高误码、长时延、大时延带宽积等特点.因此,传统传输控制协议在卫星网络中会产生带宽利用率低、丢包率较高等问题.在提出适应低轨卫星网络的传输控制方案之前,我们将首先分析低轨卫星网络与传输控制协议性相关的独有特征.具体地,将从丢包产生原因、时延变化规律、链路中断 3 方面进行分析.1.1.1丢包原因多样1)链路拥塞导致丢包.卫星网络同地面网络的最大区别是卫星网络的往返时间较长.地面网络的往返时间在几十毫秒之内,而卫星网络的往返时间往往在几百毫秒.卫星网络更容易触发超时重
18、传机制,该机制重新发送数据,导致数据在传输时造成拥塞,使得数据传输的时间进一步增加,恶性循环,造成网络的崩溃.2)比特错误导致丢包.卫星链路具有较高的误码率,在同步轨道通信环境下,卫星信道表现为高斯加性白噪声,误码以随机误码为主,而在中轨和低轨的环境下,由于受到多普勒频移的影响,卫星信道表现为莱斯或者瑞利信道,除了随机误码的情况之外还有突发误码的出现.传输控制协议在验证数据包出现比特错误时,便会主动丢弃这一数据包,降低了网络传输数据的效率.1.1.2时延变化差异大1)队列长度导致时延变化.在卫星网络中的每一个节点都有一定的缓存队列,而在网络拥塞程度不同的时候,缓存队列的长度也不同,这就会导致在
19、不同拥塞程度时,队列长度会发生变化进而往返时延发生改变.但是在低轨卫星网络中,由队列长度变化导致的时延变化较小,卫星运动以及卫星切换往往是决定时延变化的主要因素.2)卫星运动引发时延变化.卫星相对于地面端运动时,由于传输路径改变,无线电在大气层及电离层中的传播时延也随之改变.在低轨卫星网络中,传播时延随着卫星之间的距离以及传输路径的变化而变化,通信距离每增加1000km,就会带来额外约13.3ms的往返时延8.3)卫星切换引发时延变化.在低轨卫星通信系统中,作为核心交换节点的卫星为了维持较低的恒定轨道高度,必须围绕地球高速旋转,造成卫星覆盖区域在地球表面上的快速移动,从而产生卫星与用户之间的切
20、换.卫星切换不可避免地会产生切换时延,易造成传输数据的大量丢失,由卫星切换引起的时延往往在 100ms 左右9.图 1 展示了在以传播时延作为基础度量,路由选择传播最短时延路径(leastdelaypath,LDP)时,由 48 颗卫星组成的近极轨卫星网络中 2 颗卫星之间链路传播时延和跳数随时间变化的结果.可以看到在低轨卫星网络中,链路传播时延始终处于变化状态,并且每隔 10min 左右就会发生 1 次路径变更,导致链路传播时延发生较大突变.150.00112.51 00075.02 00037.53 0000.04 000 5 000 6 000 7 000传播时延/ms运行时间/s864
21、LDP跳数LDP跳数传播时延Fig.1PropagationdelayandhopsvariationinLEOsatelliteconstellations图1低轨卫星星座中的传播时延和跳数变化1.1.3链路频繁发生中断低轨卫星星座由于高动态变化,导致 TCP 链路可能因为天气情况、卫星切换、网络拓扑关系变化以及轨道变化等多种原因发生频繁中断.在低轨卫星网络中,由于卫星绕地球快速运行导致其服务范围不断变化,对于地面固定用户,每个卫星的最大可见时间在 811min 之间,当用户即将离开当前卫星的服务范围时需要将连接切换到新的卫星,而每次卫星切换都可能导致 TCP 数据包乱序、丢失,甚至产生短时
22、间链路中断10.此外当卫星运行至极地轨道交汇点附近时,由于相邻轨道卫星间的距离和视角快速变化,很难建立稳定的卫星间链路,所以卫星会暂时关闭部分星间链路,等到离开极区后,重新建立卫星间链路.在1848计算机研究与发展2023,60(8)这个过程中发生的卫星间链路切换以及由于卫星运动引起的星座网络拓扑关系的变化都会导致网络路由发生变化,在路由更新过程中,旧路由不能被使用而新路由还未就绪,导致卫星链路发生中断.1.2网络传输控制协议网络传输控制协议是为了在不可靠且多种应用共享的互联网络上为网络应用提供可靠公平传输而设计.由于其重要性,工业界和学术界对此协议都进行了持续研究.根据现有工作进行源端速率调
23、节的依据因素不同,应用于卫星网络的拥塞协议主要可以分为 3 类:1)基于丢包的传输控制协议基于丢包的传输控制协议将丢包作为网络出现拥塞的标志.发送端逐步增大拥塞窗口以充分利用带宽,而当网络出现丢包时,将拥塞窗口减小.这种类型的控制协议原理较为简单,近年来主要的实现方 法有 TCP Hybla,TCP Hybla+,TCP Peach,TCPPeach+,TCPSwift,TCPCherry 等11-12.TCPHybla 主要修改了 Reno 在慢启动和拥塞避免阶段拥塞窗口的增加方式,以一个短 RTT(25ms)为基准,使得不同 RTT 的 TCP 连接获得相同的传输速率,抵消了由卫星网络长
24、RTT 引起的性能恶化.TCPPeach使用低优先级的虚拟段探测带宽以增加慢启动阶段拥塞窗口的增加速度.TCPCherry 部署了一种新型的低优先级数据段,除探测网络之外,还携带尚未传输的数据段.2)基于时延的传输控制协议基于时延的传输控制协议将时延增加作为出现拥塞的标志.当时延增加时,减小拥塞窗口;当时延减小时,增加拥塞窗口.Vegas 使用时延估计网络情况,通过比较实际吞吐量和期望吞吐量来调节拥塞窗口的大小.SCPS-TP 协议(SpaceCommunicationProtocolSpecificationTransportProtocol)是面向空间链路设计的传输协议,可以有效提高卫星网
25、络的传输性能13.但是 SCPS-TP 默认使用的拥塞控制算法是 Vegas,在低轨卫星星座网络中无法区分时延变化是由卫星运动引起还是网络拥塞引起,因此存在带宽竞争能力较弱的问题.Illinois14则是动态地调整加性增加窗口和乘性增加窗口来充分利用带宽.Illinois 将丢包作为主要的拥塞信号决定窗口的增减,并将排队时延作为次要拥塞信号决定窗口变化的速率.3)基于 BDP 估计的传输控制协议基于 BDP 估计的传输控制协议通过测量网络的带宽和时延来调节发送窗口.Westwood 在报文丢失时,利用带宽估计值和最小 RTT 设定拥塞窗口的大小,能够实现更快速地恢复,其在无线网络中表现较好.T
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