宽带GEO网络移动的TCP协议性能研究

王志军，刘琼俐，白旭平，逯美红

(①太原理工大学 信息工程学院, 山西 太原030024;②长治学院电子信息与物理系，山西 长治 046011;③太原卫星发射中心，山西 岢岚 036301)

0 引言

随着移动网际协议（IP，internet protocol）技术的迅速发展，单个节点的移动通信技术已经逐渐成熟[1-2]，但诸如飞机、火车、轮船这样的大型移动平台可能会携带一个或多个局域网（LAN，local area network），在其移动过程中，也会改变到地面骨干网（如互联网）的接入，这就需要解决一个网络移动性问题。利用宽带多媒体卫星传输信息可以提供足够的带宽，更大的覆盖范围[3]，并且能够为处于移动网络内的用户提供更加有效的服务。

1 网络移动的概念和模型

网络移动[4]是指一个移动 IP网络（如一个LAN）能够在保证通信连接不中断的条件下，改变到一个IP骨干网（如互联网）的连接点。在一个移动IP网中，包括至少一个移动路由器，它位于移动IP网络的边缘，负责把移动网络连接到IP骨干网。可以利用静止轨道宽带多媒体通信卫星来为移动平台上的通信子网提供互联网接入，系统模型如图1所示。

图1 基于GEO卫星移动通信的网络移动系统模型示意

其中，主要包括以下4个功能实体[5]：

1）移动主机（MH，Mobile Host）：可以将其互联网接入点从一个网络切换到另一个网络，仍然保持所有正在进行的通信。

2）移动路由器（MR，Mobile Router）：将移动式网络接入互联网的边缘路由器，它至少有两个接口，一个外部接口和一个内部接口，是互联网固定网络和移动式网络之间路由数据报文的网关。

3）家乡代理（HA，Home Agent）：是移动节点或者移动路由器家乡网络上的一个路由器，当移动网络离开家乡网络时，它能更新和保存MR或MN当前的位置信息，并把数据包转交给MR或MN。

4）外地代理（FA，Foreign Agent）：移动网络所访问的外地网络上的一个路由器，主要在外地网络中帮助移动节点实现移动管理功能。

实现网络移动通信单纯靠移动IP协议是不行的，必须对现有的移动IP协议进行改进，一方面，移动IP主要通过MR、HA及FA 3个功能实体来实现，移动网络中的节点不再参与移动IP协议的执行。移动路由器在移动过程中能够改变网络接入点，和普通路由器一样，它需要具有多个转发端口，能够动态更新路由，转发数据包；同时，它又要能够执行单个节点的移动IP协议，并具有数据包封装和解封的功能。另一方面，由于移动节点并不参与注册过程，FA就不会包含移动节点的注册信息，因而需要将移动路由器作为移动节点的外部代理在HA处进行注册，这样发往移动节点的数据包被HA截获后会首先进行HA到MR的封装，再进行HA到FA的封装，那么在FA解封装之后，即可根据注册信息将数据包转发给移动路由器，由移动路由器去除HA到MR封装后交给移动节点。

文中主要以 IPSTAR宽带卫星移动通信系统为例，模拟网络移动的通信过程，特别是对移动网络离开家乡网络进入外地网络时TCP协议的性能进行研究。IPSTAR[6]（120°E）是一个区域卫星系统，其Ku波段和Ka波段波束可以覆盖亚太地区22个国家。在中国全境实施宽带业务需要三个信关站，分别在北京、广州和上海。

在图2中[3]，波束1是以北京信关站作为代理的点波束，波束2是以上海信关站作为代理的点波束。假设一架具备网络移动功能的飞机从北京飞往上海，飞机上载有一个移动路由器和若干可移动节点，地面某通信终端不断向飞机上一点发送TCP数据流，在P点完成家乡代理和外地代理的切换。在网络移动模型中，IPSTAR采取透明转发机制，实现飞机和地面信关站之间的通信。

图2 IPSTAR卫星点波束覆盖

2 卫星网络移动通信对TCP协议的影响

TCP协议通过滑动窗口（发送端的拥塞窗口和接收端的通知窗口）、序号和确认、超时重传等技术，实现了端到端的流量控制、端到端的拥塞控制和差错控制，是面向连接和可靠的运输层协议[7]。它最初是针对地面网络的信息传输而建立的，相对地面通信网，宽带卫星移动通信网络又有着一定的特殊性，给TCP协议带来了一定的影响[8]。如：信道传播中的各种随机因素（如雨衰、多径衰落和切换等）都会造成信道的突发错误，导致数据分组在卫星信道上的丢失，即使没有网络拥塞出现，也会触发TCP协议的拥塞控制机制。此外，卫星移动通信信道具有较大的、可变的分组往返时延、频繁的切换、上/下行信道速率不对称及信号衰落等特点，这些特点使得基于卫星移动通信的移动网络的TCP协议性能受到较大影响。

3 切换过程中的TCP协议性能仿真

当移动网络由一个网络接入点改接到另一个接入点（可能同属一个子网，也可能分属不同的子网）时，需要进行数据链路层的切换。这一层的切换过程是根据各个子网所使用的底层通信技术的不同而不同的。在链路层切换完毕后，才会进行IP层的切换，也就是移动IP的切换。从移动网络离开原先的外地网络开始，到HA接收到移动网络的新的注册请求为止的这段时间内，由于HA不知道最新的外地代理转交地址，所以它仍然将属于MH的IP包通过隧道发送到原先的外地网络，导致这些IP包被丢弃，使得移动网络与通信对端间的通信受到影响，特别是当切换频繁或者距离很远时。

整个切换过程分为2个阶段：

1）移动检测阶段：移动网络需要进行移动检测以判断自己是否更换了接入的子网，这段时间称为移动检测时延。

2）重新注册阶段：移动网络判断出发生移动之后，向HA发送注册请求，到HA收到请求为止的这段时间，其长短取决于移动网络到HA的距离。

图3和图4(a)、图4（b）图中，TCP拥塞窗口阈值设置为20，数据包为1 000 byte；图4(c)、图4(d)图中，TCP拥塞窗口设置为4，数据包为500 byte。图3中，信道带宽为512 kb/s；图4中增大为2 Mb/s。

图3 信道带宽为512 kb/s时的时延、吞吐量的变化

图4 信道带宽为2 Mb/s时时的时延、吞吐量的变化

从图中可看出，当移动网络在家乡网络和外地网络之间切换时，TCP协议表现出如下特点：

1）发送方数据报文段大小和拥塞窗口阈值大小不变时，吞吐量随着信道带宽的增大而增大，但不会无限增大，由于系统最大吞吐量=窗口大小/RTT，会逐渐接近GEO系统的门限值；时延随着带宽的增大而减小，时延抖动也随着减小，因此，信息速率的增大会使TCP传输的信道利用率更高，系统的性能更加稳定。

2）当信道带宽较小时，较大的拥塞窗口和数据包大小会带来时延抖动的增大和吞吐量的降低，吞吐量随时间波动也较大。因此，较大的拥塞窗口和数据包长度不适用于窄带业务。此时，从家乡代理切换到外地代理会经过较长时间的慢启动阶段。

3）吞吐量跟时延的曲线存在一一对应关系，若某一时刻时延增大，则必然存在吞吐量的降低，同样，大带宽系统较稳定时，时延抖动较小，吞吐量取值也较为平坦。

卫星链路的大时延使得TCP要花费很长的时间用于慢启动，拥塞控制机制也无法高效运作。由于使用自由空间进行信息传输，卫星信道还有着较高的突发错误，容易受到天气等自然因素的影响。不断增大系统的丢包率以模拟卫星的信道高突发错误，拥塞窗口会有较剧烈的变化。

在TCP协议中，发送窗口的值一般是在连接建立时由收发双方商定而成的，具体可表示为下面的形式：

发送窗口 = Min [拥塞窗口，通知窗口]。其中，拥塞窗口为发送端根据网络拥塞情况设置的窗口大小；通知窗口为接收端根据自身的数据接收情况反馈给发送端的窗口大小，最终进行TCP协议传输过程中的窗口大小是取两者之间的最小值。在利用面向对象的网络仿真器（NS，network simulator）进行仿真过程中，通知窗口是一个固定值，即所设置的拥塞窗口阈值大小是无法改变的。因此，我们可以通过观测发送端拥塞窗口大小的变化，判断网络的拥塞情况。当信道带宽取2 Mb/s的固定值，接收端的通知窗口设置为20，数据包为1 000 byte时，发送端拥塞窗口（CWND，congestion window）的大小变化如图所示。

假设网络情况较为理想没有丢包，窗口变化情况如图 5(a)所示，当拥塞窗口小于设定的窗口阈值20时为慢启动阶段，其大小随时间变化为1，2，4，8，16，呈指数增长；若大于阈值 20，则进入拥塞避免阶段，拥塞窗口将随着发送数据包的数目线性增长，由于网络情况较理想，而且带宽值较大，拥塞窗口大小可以一直增长到140以上。但实际中发送数据包的窗口只能达到20，即拥塞窗口和通知窗口两者中较小的一个值，CWND的大小只反应了网络的拥塞程度。270秒左右，移动网络处于家乡代理和外地代理的边界，发生切换现象。移动网络漫游出家乡网络，需要向外地代理重新进行注册，这段时间内，移动节点不在家乡网络内，导致经家乡代理转发的数据包无法送达移动节点。接收节点认为数据包发送超时，当移动网络在外地网络注册成功后，阈值被重新设置，拥塞窗口被置为 1MSS，再次进入慢启动阶段。

图5 改变丢包率时拥塞窗口的变化

当信道条件恶化，丢包率逐渐增加时，比较图5(b)、图5(c)、图5(d)可以看出，慢启动后的拥塞避免阶段时间开始缩短，窗口不断由一个较大的值下降为1（由于仿真过程中采取的是TCP Tahoe版本，不管发生哪种情况的拥塞都会将窗口降低为 1MSS）。拥塞窗口所能达到的最大值也随着丢包率的增大而下降。特别当移动网络处于外地代理网络时，由于通信对端CN发送的数据包首先传送给HA，HA将数据包封装后发送给FA，再由FA转发给移动网络，从而更增大了数据包丢失的概率，从曲线图上看，窗口的峰值更小，窗口大小直线下降的事件更频繁，即TCP协议的拥塞控制协议的启动更频繁（TCP协议认为所有的丢包都是由于网络拥塞引起的，一旦出现丢包就开始减小发送窗口，启动拥塞控制机制）。当丢包率大到0.2时，拥塞窗口CWND的最大值只有25左右，反映出网络的传输效率大大降低。

4 结语

在基于卫星的网络移动的通信过程中，由于切换现象的存在，会造成TCP数据包的暂时丢失，发送方会启动拥塞控制机制进行包的重发，当切换到外地网络后，吞吐量也会有所降低并表现的不稳定，这些与GEO卫星信道的大时延、高丢包率有着很大关系。当信道带宽变大时，这种状况会有所改进。在宽带多媒体卫星移动通信中，由于系统允许信息传输具有较大带宽（IPSTAR中可以达到2 Mb/s），TCP传输的吞吐量和时延表现的较为稳定，因此，在基于宽带多媒体卫星的网络移动通信中实现TCP数据的传输具有一定的可行性。

[1] 王军选.未来移动通信系统及其关键技术平[J].通信技术,2009,42(09):142-147.

[2] 彭小平.浅析移动通信技术的演讲[J].通信技术,2007,40(06):16-18.

[3] 魏巍，郭庆.GEO区域覆盖卫星移动通信系统及其关键技术[J].通信技术,2007,40(04):45-48.

[4] LACH Hong-yon, JANNETEAU C, PETRESCU A. Support of Mobile Networks in Beyond-3G Systems[J].Communication Technology Proceedings, 2003(02):1381-1383.

[5] DEVARAPALLI V, WAKIKAWA R, PETRESCU A,et al.Network Mobility (NEMO) Basic Support Protocol[S].[s.l.]:IETF, 2005.

[6] 司马杭仁.宽带卫星“iPSTAR”覆盖亚太22 国[N].大众科技报，2005-07-14（第A04版）.

[7] KUROSE J F, ROSS K W. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet [M].Boston: Addison Wesley, 2002:784.

[8] Craig Partridge, Timothy J.Shepard, BBN Technologies. TCP/IP performance over satellite links[C]. USA:IEEE, 1997, 11:44-49.