民航移动通信网络TCP拥塞控制策略研究

段竣晨

（民航云南空管分局，云南昆明 650200）

民航移动通信网络TCP拥塞控制策略研究

段竣晨

（民航云南空管分局，云南昆明 650200）

随着移动互联网技术的不断进步，将互联网应用于民用航空移动通信的技术也逐渐发展。通常情况下，互联网的接入可以分为地空网络接入和卫星中继网络接入两种，本文就针对于民航移动通信网络TCP拥塞控制策略进行了探讨，将公平性和适应性较好的TCP Hybird-Hybla解决方案引入其中，有效提升了TCP的传输效率。

民航移动通信网络 TCP Hybird-Hybla OPNET

现阶段，随着信息技术的不断发展，信息技术发展水平逐渐成为了国家综合国力的象征。实际上，航空移动通信逐渐显现出巨大的市场应用需求，我国即将迎来“空中互联网时代”。但是，在实际中，实现规模化和商品化还存在一定的技术难题。随着网络技术的发展，其鲁棒性对于TCP/IP的拥塞控制更加依赖，TCP/IP承载了十分之九以上的网络流量，但是，TCP在卫星信道上的拥塞控制问题逐渐显现出来，目前就如何提升其控制有效性仍然没有答案，从而导致了卫星子网络的TCP传输性能降低、航空网络异构以及飞机移动过程中的网络切换问题等，迫切需要解决措施。

1 航空移动网络特点分析

卫星通信是指把人造地球卫星当作通信中继站，实现对无线电波的转发或反射，从而实现不同站点之间的通信。在民航移动网络中，以Inmarsat通信作为中继站，并选择地面站作为网络协调站，并在每个洋区选择一个网络写挑战，实现覆盖和通信情况的监控［1］。按照现有的网络体系来看，卫星网络与Internet的结合，增加了传统网络的复杂程度，而民航移动通信网络将Inmarsat通信卫星系统作为其补充，从而促进了天地网络的一体化，同时，传统的通信技术也面临诸多挑战。在民航移动通信中，对于TCP的传输性能会产生不利的因素主要包括空间跨度大、链路质量不稳定、终端移动性、扩容难等因素。

随着航空网络的发展，传统TCP面临以下几个方面的问题：第一，慢启动需要消耗大量的时间，带宽得不到充分利用。第二，延时差异大，公平性能差。第三，链路误码率和切换引起的丢包问题十分频繁。第四，呈现出明显的假超时特点。而现阶段常用控制措施主要包括PEP技术、支持长肥管道的增强TCP技术以及TCP Hybla、SwiftStart TCP、TCP Westwood、Scalable TCP等增强TCP性能协议等［2］。

2 TCP拥塞控制

现阶段，TCP协议下拥塞控制过程主要可以分为慢启动、拥塞避免、快速重传和恢复四个阶段。

在慢启动阶段，TCP在启动过程中，会发送出多个数据包给网络，但是由于路由器的作用，使得数据包不得不排队，消耗存储空间的同时，使得TCP连接的吞吐量下降，为了有效控制这一问题，所以引入慢启动。在拥塞避免阶段，如果发现超时或存在2个以上的相同ACK确认帧，则说明网络发生拥塞，需要进入避免拥塞阶段。当数据包超时后，cwnd为初始值，如果重新开展慢启动，必然导致发送窗口尺寸减小量的大幅度变化，降低TCP的吞吐量。而在快速重传和恢复阶段，源端受到重复ACK2个以上，数据包丢失并重传，同时，ssthresh为cwnd的一半，避免遭遇RTO超时。

3 民航移动通信网络TCP解决方案——TCP Hybla

在TCP Hybla下，通过长时延的连接以一个相对快速的TCP连接为参考获得传输速率B（t），根据如下公式，需要两个步骤，首先是将时间尺度进行修改，将W（t）独立，其实，需要乘以RTT补偿除法的效果。

B（t）=W（t）/RTT

丢包恢复机制方面，无论是与TCP Reno相比还是与Tahoe相比，TCP Hybla能够拥有更大的拥塞窗口，从而导致一个窗口多个丢包的情况十分常见，特别是在RTT值区域最大的时候。为了有效控制这一问题，针对TCP NewReno不能一次性恢复一个窗口里面多个丢包的问题，遂引入SACK选项，针对接收端没有ACK返回的情况，采用重传超时和时间戳［3］。同时，通过慢启动阈值估计和突发和包间隔，能够有效提升网络的效率。

在TCP Hybla下，其性能集中表现在公平性和友好型方面，在TCP拥塞控制算法下，TPC Hybla面对BDP较小或RTT较小的网络时，性能优秀，能够有效解决TCP连接传输效率低下的问题。公平性体现在民航异构网络中，标准TCP对长时延连接十分不利，通过TCP Hybla的使用，参考时延为25ms，从而实现窗口增长。同时，这也增加了慢启动拥塞窗口的增长侵略性，容易引发网络利用效率低下的问题，这主要是因为运行过程中存在重传包和无用包，通过包间隔可以有效控制这一现象的发生。友好性主要表现在：恢复论建模，将丢包率和往返时延作为主要参数，并且以TCP流数据的稳态吞吐量作为函数，进行分析，对TCP拥塞避免行为进行建模，让不同的round TCP拥有一定的拥塞窗口值，以一个往返时延为周期，并且独立于拥塞窗口［4］。经过对比，在TCP Hybla下，友好型特点十分突出，将其用于异构网络环境，由于不同的RTT，占用网络容量的能力要强。

此外，在链路利用率方面，TCP Hybla能够适应现阶段网络发展的需要，但是却在实践中面临实际的网络利用率低的问题。这要归因于复杂网络的异构特性。由于其本身就是公平的，但是由于卫星网络所导致的性能下降，卫星链路、无线链路以及有线链路公平性难以实现，对于网络的利用率不高，尚待改进。

4 结语

由于民航移动通信网络时延抖动大、丢包率高以及卫星中继的大时延特点，使得其通信网络中的TCP性能难以提升，对于用户体验和机内互联网接入的发展造成了阻碍。本文着重探讨了其控制策略，构建民航移动通信TCP高效运行体系，促进民航通信工程的发展。

［1］徐伟强，汪亚明，俞成海，等.移动Ad Hoc网络的跨层优化拥塞控制［J］.软件学报，2010，07∶1667-1678.

［2］曾孝平，王兴隆，王志明，等.民航移动通信中TCP协议的改进［J］.信息与电子工程，2012，01∶13-17.

［3］李渝.民航移动通信网络TCP拥塞控制策略研究［D］.重庆大学，2013.

［4］杨澍.卫星网络的拥塞控制策略研究［D］.北京邮电大学，2015.