空间通信中TCP协议及其改进的应用教材.doc

华 中 科 技 大 学 研究生课程考试答题本 考生姓名＿＿＿＿ ＿＿＿ 考生学号＿＿ ＿ ＿＿ 系、年级＿＿ ＿ 类 别＿＿＿＿ ＿＿＿＿ 考试科目＿＿空间通信与导航＿＿ 考试日期2014 年＿1月＿ 17＿日 评 分 题号 得分 备注 总分： 评卷人： 注：1、无评卷人签名试卷无效。 2、必须用钢笔或圆珠笔阅卷，使用红色。用铅笔阅卷无效。 空间通信中TCP协议及其改进的应用研究 摘要：本文首先介绍了空间通信系统和 TCP 协议的发展以及研究现状，并针对卫星通信系统特点和空间通信与传统 TCP 结合时出现的问题进行了分析，针对目前主流的基于 TCP 协议的空间数据传输算法改进策略进行了研究，根据其优点和缺点进行了综合评估，提出一种基于现有传统 TCP 协议改进的数据传输控制协议SN-TCP，用以提高 TCP 协议在空间通信系统中的传输性能。在改进的协议中，针对空间链路长延时、高误码、链路不对称的特点，结合原有 TCP 协议在地面数据传输的优点并针对空间环境特点进行改进，使协议在空间数据传输环境中表现出更优的性能。通过网络仿真工具 NS-2 对 SN-TCP 协议性能进行了仿真，并将其与传统TCP 协议进行比较分析。仿真结果证明，本文提出的 SN-TCP 协议在空间数据传输性能上优于传统 TCP 协议，有效的提高了传统 TCP 协议在卫星链路上的传输性能。 关键词：空间通信；TCP；性能改进；NS2 引言 1.1 卫星通信系统概述 自上世纪第一颗通信卫星问世以来，卫星通信以覆盖广、通信距离远、不受地理条件限制、数据传输费用低廉、组网灵活等特点，在全球数据通信领域发挥着重要的作用。卫星通信系统是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信的数据传输系统。卫星通信系统主要由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四部分组成。其中跟踪遥测及指令分系统负责对卫星的轨道、位置及姿态进行监视和校正；监控分系统负责对卫星的性能及参数进行监测。图1.1 是通信系统的基本组成示意图。 图1.1 通信系统的基本组成 1.2 卫星与 Internet 融合 为了满足全球因特网数据传输的需求，卫星通信已经朝着宽带因特网接入服务方向发展[1-4]。结合卫星通信的自身特点，与地面网络相比，卫星宽带因特网特点鲜明，主要体现在：能够快速组网，短时间内可实现全球范围内的终端用户接入；以广播方式工作，具有大面积覆盖能力，通信灵活机动，适合多媒体业务的广播和组播业务；通信距离远，工作频段宽，通信容量大，可承载多种业务传输；传输能力强，数据传输量大，业务费用低廉。 综上所述，基于卫星系统的 Internet 数据传输网具有空间跨越、远程通信和广播、大数据量传输的功能，成为解决目前 Internet 数据传输负荷重，传输跨度小等问题的重要途径，卫星通信与 Internet 结合成为目前互联网发展的重要趋势。总之，随着技术的发展和新型通信卫星的不断涌现，空间通信系统被赋予新的任务，除了具有数字化、移动化、宽带化的特点外，还将具有网络化和 IP 化等新的特点。通信卫星将不仅仅实现数据的转发，还会实现数据的复用、交换，甚至是路由功能。卫星通信系统与 Internet 结合将会使得空地之间以 IP 为通信平台，形成空地合一的高速因特网。 1.3面临的问题 卫星网络由于传输距离远（赤道静止轨道卫星距离地球 35860km）、传输环境多变的特点（环境干扰、星体阻挡、雨衰、空间复杂电磁环境），在实际数据传输的过程中表现出数据传输延迟大，信道误码率高等特点。同时从卫星发射负荷能力和传输设备经济性考虑，要求卫星星体小巧轻便，因此可搭载的数据传输设备有限，导致卫星传输上下行链路带宽不对称[1]。于是综合考虑环境、通信链路、能源等诸多方面的制约，与地面数据传输网络相比，表现出网络拓扑复杂、数据传输时延长、信道误码率高，上下行链路不对称的诸多差异。 TCP 协议之所以在空间通信环境下存在诸多问题，关键是缺乏全面的应用于 空间链路的传输控制机制。首先，TCP 的错误控制主要是以网络拥塞丢包为中心，而忽略了链路传输错误等其他问题，这在传统网络上是成立的；但在空间通信环境下，链路错误产生的丢包是典型的错误特征，TCP 缺乏处理这些错误的能力其次，TCP 在数据发送速率控制方面主要采用慢启动和拥塞避免策略，采用缓慢增长数据发送速度用以探测网络传输带宽的方法，逐步满负荷发挥线路传输性能。 因此，现有成熟的地面通信网络协议并不能直接应用于苛刻的空间数据通信环境中。所以卫星网络协议面临两种选择：一是